Hace 12 años, en 2011, el joven neerlandés Gert-Jan Oskam, quien entonces tenía 28 años, se dirigía a su casa en bicicleta al salir del trabajo cuando sufrió un grave accidente: un fuerte golpe que le propinó un auto le cercenó la mayor parte de la médula espinal a la altura de la séptima vértebra cervical, debajo del cuello.
Aunque no sufrió una lesión completa, sino del 65%, su cuerpo quedó tetrapléjico: imposibilitado para mover su torso, las piernas y parcialmente los brazos. Luego de intensas terapias, logró recuperar parte de la movilidad de sus brazos. Pero desde hace 10 años llegó a una etapa irremediable, sin avance y sin poder mover sus extremidades inferiores.
“Desafortunadamente no había nada que pudiera ayudarme”, recuerda Oskam en una plática con medios de varios países, aunque expresa que en sus pensamientos nunca perdió la esperanza del volver a caminar.
Hoy tiene 40 años y es el primer tetrapléjico del mundo en recuperar la movilidad de sus piernas. Puede caminar otra vez
Al igual que un pequeño grupo de seis personas que sufrieron paraplejia, Oskam recobró la movilidad de sus piernas gracias a un desarrollo científico y tecnológico innovador, una especie de “puente digital inalámbrico”, desarrollado por un equipo internacional de 34 científicos de Francia, Estados Unidos, Países Bajos, Reino Unido y Suiza, encabezados por Grégoire Courtine, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, por sus siglas en francés), y Jocelyn Bloch, del Hospital Universitario de Lausana, en Suiza.
Luego de un proceso de rehabilitación de varios meses y dos operaciones quirúrgicas de alta especialidad, Oskam ahora puede mover las piernas con solo pensarlo, como cualquier persona sana.
Lo que hicimos fue restablecer la comunicación entre el cerebro y la región de la médula espinal que controla el movimiento de las piernas con un puente digital inalámbrico”.
Grégoire courtine, de la escuela politécnica federal de lausana, suiza.
“Reconectamos dos regiones del sistema nervioso central que están desconectadas por una lesión de médula espinal (LME)”, comenta Grégoire Courtine. “Nosotros ‘extraemos’ los pensamientos de los pacientes, los codificamos y los enviamos a la médula espinal para que el movimiento de sus extremidades se realice de manera natural, porque usamos los propios circuitos del sistema nervioso central que dirigen los movimientos para caminar”.
Las neuronas que controlan los movimientos de las piernas se encuentran en la médula espinal lumbar (espalda baja) y al caminar una persona sana emite las órdenes desde su cerebro a través de vías descendentes que van en cascada desde el tronco encefálico (el centro del cerebro) hasta activar las neuronas de las raíces dorsales de la columna vertebral, y todo ocurre en una fracción de segundo, pero cuando hay una lesión este sistema de comunicación natural se interrumpe.
Aunque las neuronas situadas en la zona lumbar no están dañadas, simplemente no reciben los comandos del cerebro por la lesión. En el caso de Oskam, la herida ocurrió debajo del cuello, lo que le causó la parálisis permanente y hasta ahora irreversible de las piernas.
Pero el equipo internacional de científicos encabezado por Courtine ha logrado un hito sin precedentes que se publicó en un artículo de gran impacto en la revista científica Nature, resultado de 30 años de investigación biomédica (consultar en: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5).
Ha sido un largo proceso de investigación en el que han obtenido avances consecutivos tanto científicos como tecnológicos, hasta llegar a este sorprendente tratamiento que ya se ha probado exitosamente en nueve personas y que podría ser una esperanza para millones que padecen lesiones de médula espinal en todo el mundo, condenadas a la inmovilidad.
Jocelyn Bloch, quien se encarga de llevar a cabo las delicadas neurocirugías para colocar los tres pequeños implantes con electrodos, uno en la médula espinal y dos en la corteza cerebral, señala que desde hace 11 años que se unió a este proyecto, lo consideró tan ambicioso que le parecía más un asunto de ciencia ficción, pero ahora, afirma con asombro, “¡es una realidad!”.
Se estima que en el mundo hay 23 millones 600 mil personas con lesiones de médula espinal y que cada año 900 mil personas sufren parálisis parcial o total de su cuerpo por estas lesiones.
Lesiones de médula espinal
Aunque parezca increíble, en la era de las supercomputadoras, la inteligencia artificial y el internet, a nivel internacional existen pocas estadísticas sobre las lesiones de médula espinal. Un ejemplo de ello es que el estudio más completo realizado hasta ahora, llamado Informe Mundial sobre la Discapacidad, fue llevado a cabo por la Organización Mundial de la Salud (OMS) en 2011 (disponible en: https://apps.who.int/iris/handle/10665/75356).
En dicho documento de hace 12 años, se indica que anualmente entre 250 mil y 500 mil personas en todo el mundo sufren lesiones medulares de diversos tipos y gravedades.
Otro estudio más reciente, publicado en 2019 en la revista científica Spine, estima que cada año se presentan 900 mil casos en todo el planeta y que hasta ese año había más de 23 millones 600 mil personas con LME en todo el orbe (leer en DOI: 10.1097/BRS.0000000000004417).
Aunque algunos están más desactualizados que otros, lo que demuestran estos estudios es que millones de personas padecen alguna forma de discapacidad por LME, la mayoría como resultado de algún traumatismo causado por accidentes de tránsito, actos violentos, caídas y deportes extremos, pero también un amplio número de personas la padece por accidentes cerebrovasculares y derrames cerebrales, entre otras causas.
Como consecuencia de estas lesiones paralizantes las personas que las sufren no pueden sentir ni mover parte de su cuerpo: de la cintura para abajo cuando es paraplejia, o desde el cuello hacia abajo cuando padecen tetraplejia.
En Estados Unidos donde hay mejores estadísticas, la Asociación Nacional de Lesiones de Médula Espinal registra 11 mil casos nuevos anualmente, de los cuales el 37 % suceden por accidentes vehiculares; 28 %, por actos violentos; 21 %, por caídas; y el 6 %, al practicar algún deporte. El 82 % se presenta en hombres y la mayor incidencia ocurre entre los 16 y 30 años de edad. Oskam se encuentra en el promedio de estas estadísticas.
En México no se cuenta con estadísticas ni oficiales ni confiables, pero la OMS estima que la incidencia de este padecimiento en nuestro país es de 24 casos por cada millón de habitantes, es decir, cada año más de 3 mil mexicanos sufren alguna lesión de este tipo.
Desde que se tienen registros, la recuperación de alguna LME grave era prácticamente imposible, por lo que los pacientes pierden la capacidad de sentir y mover parte de su cuerpo de por vida, lo que desencadena una serie de complicaciones médicas, fisiológicas, psicológicas, económicas, sociales y familiares.
La mayoría de las personas que la padecen experimentan atrofia, pérdida de masa muscular, osteoporosis o disminución de la densidad ósea, lo que aumenta la posibilidad de fracturas.
Se incrementa el riesgo de úlceras por presión en áreas del cuerpo como los glúteos, espalda baja y muslos; contracturas articulares y rigidez, lo que dificulta sentarse correctamente en una silla de ruedas o moverse y acomodarse en asientos y bancas. Además, afecta diversos órganos como la vejiga, intestinos y la piel.
Diversos grupos de científicos han intentado encontrar formas de reparar estas vías nerviosas rotas sin grandes resultados, hasta ahora.
“Cuando hay una LME se interrumpe la comunicación entre el cerebro y la médula espinal; se desconectan”, explica Courtine. “Lo que hicimos fue restablecer la comunicación entre el cerebro y la región de la médula espinal que controla el movimiento de las piernas con un puente digital inalámbrico”.
En tan solo unos meses, este puente digital le permitió a Oskam recuperar las sensaciones y el control natural sobre el movimiento de sus piernas paralizadas. Pudo ponerse de pie, caminar, atravesar caminos sinuosos e, incluso, subir escaleras.
Pulsos eléctricos
Este puente digital es en realidad todo un sistema integrado por nuevos conocimientos científicos, implantes, dispositivos electrónicos, programas de inteligencia artificial, neurocirugías, terapias de neurorrehabilitación, sensores y comunicación inalámbrica, entre otros, llamado Interfaz Cerebro-Columna Vertebral (BSI, por sus siglas en inglés), que se ha refinado a lo largo de tres décadas de experimentación con cultivos celulares, luego con roedores, más tarde con monos y ahora con humanos.
Este avance tecnológico y científico, único a nivel mundial, utiliza un dispositivo llamado estimulación eléctrica epidural (EES, por sus siglas en inglés), que el año pasado Courtine y su equipo probaron en seis personas paralizadas con lesiones de médula espinal parciales, entre ellos Oskam y en 2017, en otras tres personas con lesiones medulares completas.
Este dispositivo consiste en una pequeña plantilla de 10 por 3 centímetros que se coloca en la médula espinal lumbar, debajo de la lesión de cada paciente, por medio de una neurocirugía de 4 horas.
La plantilla tiene 16 electrodos que entran en contacto directo con los nervios de la región de la columna vertebral llamada lumbosacra, que controla cada uno de los movimientos del tronco, la cadera, piernas y pies.
El sistema Interfaz Cerebro-Columna Vertebral incluye un implante epidural, dos IMPLANTES craneales CON 64 ELECTRODOS CADA UNO y un esquema de rehabilitación basado en inteligencia artificial compuesto por un programa de software computarizado y comunicación inalámbrica.
Las células neuronales se comunican entre sí a través de pequeñísimas corrientes eléctricas y con esta placa las raíces dorsales reciben la corriente eléctrica producida por un pequeño marcapasos, para que inicien su movimiento.
Esta placa se probó en 2022 en un ensayo con 10 personas con paraplejia y tetraplejia, entre ellos Michel Roccati, un joven italiano quien a la edad de 26 años sufrió un grave accidente al perder el control de su motocicleta y su cuerpo salió disparado 10 metros hasta impactar contra un vehículo.
El fuerte golpe le cercenó su médula espinal por completo. Perdió la sensibilidad y la movilidad total de las piernas. En plena juventud, la lesión de su médula espinal lo condenó a usar silla de ruedas de por vida.
Aunque todavía de manera errática, Michel ya ha podido realizar parte de las actividades que realizaba antes de sufrir su lesión. Recuperó la sensibilidad y la movilidad de las piernas de manera inmediata, pero hacerlo adecuadamente ha requerido meses de rehabilitación.
“¡Es un sueño hecho realidad! Los primeros pasos fueron increíbles!”, expresó Michel en entrevista. “¡Tan solo un día después de empezar a practicar vi que mis piernas se movían otra vez, sentí la contracción de los músculos de mis piernas y pude caminar otra vez. Fue una emoción muy intensa!”.
El ensayo clínico al que se incluyeron tanto Michel como Oskam, fue registrado con el número NCT02936453, en la Biblioteca de Medicina de Estados Unidos, llamado ClinicalTrials.gov (consultar en: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02936453), y los resultados fueron publicados en la revista Nature Medicine (leer en: https://doi.org/10.1038/ s41591-021-01663-5).
Gracias a estas pruebas los investigadores observaron que la placa debe colocarse con algunas ligeras variaciones en cada paciente, de forma personalizada, y que la corriente eléctrica que estimula los nervios de las extremidades debe emitirse por pequeños pulsos sincronizados y no de manera continua.
De esta manera, la corriente de menos de una centésima de voltio se envía para estimular cada nervio que se requiere mover: un pulso para la cadera, otro para la pierna izquierda, otro más para mover el pie iquierdo y lo mismo para la extremidad derecha, todo de manera sincronizada, paso por paso, como ocurre de manera natural.
El flujo de corriente eléctrica es controlado por un programa con inteligencia artificial que replica las órdenes y señales que envía de manera natural el cerebro.
“Demostramos que la estimulación eléctrica personalizada de la médula espinal, utilizando paletas de electrodos, restaura los movimientos motores independientes a las pocas horas del inicio de la terapia en tres pacientes con parálisis sensoriomotora completa”, señala el equipo de científicos en el artículo.
Tan solo un día después de recibir el implante, todos los pacientes que se sometieron al ensayo recuperaron la sensibilidad y movilidad de sus piernas.
Implantes cerebrales
Cuando Oskam y Michel recibieron el implante de la plantilla epidural recuperaron la sensibilidad y el movimiento de las piernas, pero eran movimientos un tanto erráticos y lentos, se veían como robotizados.
Las señales eléctricas que recibía la plantilla eran enviadas por una computadora con un programa de inteligencia artificial a un pequeño marcapasos que producía los pulsos eléctricos que llegaban a la plantilla para estimular la actividad de los nervios de las piernas.
“Me sentía un poco estresado a cada paso”, recuerda Oskam. “Tenía que estar a tiempo con el ritmo, de lo contrario, no daría un buen paso”.
Pero la Interfaz Cerebro-Columna Vertebral incorporó otros dos implantes de dos placas electrónicas de 5 x 5 centímetros cada uno, que se colocaron en el cráneo, uno de cada lado de la cabeza, por encima de la duramadre cerebral (la meninge externa) en la corteza motora. Cada implante tiene 64 electrodos que captan la actividad cortical de la corteza cerebral que es responsable de controlar el movimiento de las piernas.
Los implantes detectan las señales cerebrales cuando el paciente piensa en mover las piernas, es decir, captan su pensamiento motor y envían la información de manera inalámbrica a través de una antena mediante una especie de casco con auriculares.
Estas señales son captadas por el programa de inteligencia artificial cargado en una computadora portátil y son traducidas por un algoritmo matemático de inteligencia artificial a una estimulación eléctrica analógica que, a su vez, es enviada en tiempo real a la plantilla epidural implantada en la columna vertebral.
Así, la emisión de los pulsos eléctricos que estimulan las terminales nerviosas que controlan las extremidades ya no eran generadas por la computadora, sino por el cerebro de cada paciente.
“En los pacientes a quienes anteriormente implantamos la plantilla en la médula espinal se realizó la estimulación eléctrica preprogramada y producía movimientos más mecánicos, como más robotizados”, menciona Courtine. “Ahora es completamente diferente porque tenemos control total de los distintos parámetros de la estimulación, lo que significa que podemos parar, caminar, subir escaleras, es un ejemplo remarcable de recuperación”.
Después que le colocaron los implantes cerebrales a Oskam y luego de un periodo corto de rehabilitación, todo cambió: logró mover sus piernas de manera más precisa y natural. Así, con solo pensarlo, se restableció la comunicación entre el cerebro y la parte inferior del cuerpo de forma instantánea. El ensayo clínico de estos implantes cerebrales fueron registrados con el número NCT04632290 en el ClinicalTrials.gov.
Las señales cerebrales son captadas por el programa mediante una especie de diadema con auriculares, son traducidas por un algoritmo matemático a una estimulación eléctrica analógica que, a su vez, es enviada en tiempo real a un estimulador del implante epidural de la columna vertebral.
Además, la computadora con el programa de inteligencia artificial realiza predicciones motoras con diferentes patrones de pulsos eléctricos según el movimiento que el cerebro desea realizar.
El sistema activa con mayor precisión las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo. Combinado con 40 sesiones de neurorrehabilitación utilizando la interfaz cerebro-columna vertebral, el cerebro de Oskam incrementó el vínculo digital con la estimulación eléctrica de la médula, para generar un movimiento más suave y fluido, mucho más placentero que hace a los pacientes sentir el control por sí mismos.
“Ahora el movimiento es completamente natural”, comenta Oskam. “La estimulación anterior me controlaba a mí y ahora yo soy quien controla la estimulación con mis pensamientos. Cuando decido dar un paso, la estimulación se activa inmediatamente al pensarlo”.
Desde los experimentos con roedores, los investigadores observaron que el cerebro de aquellos que tenían LME requerían entrenar a su cerebro nuevamente para recuperar la movilidad de las extremidades, es decir, después de un tiempo el cerebro “olvidó” cómo mover las piernas, pero gracias a la neurorrehabilitación, el cerebro aprende nuevamente esta función.
Oskam pasó 11 años sin que su cerebro controlara esos movimientos, por lo que tuvo que aprender a caminar nuevamente, como lo hacen todos desde bebés. Con el apoyo de un arnés robótico, preparó a sus piernas y pies para caminar otra vez.
Courtine señala que entre más pronto se utilice este sistema después de que una persona sufre una lesión de médula, los resultados serán aún mejores porque el cerebro todavía recuerda cómo mover las piernas. “Imagínese: si esto se logró con Oskam después de 11 años de haber sufrido la lesión, si se aplica pocas semanas después tendremos un potencial de recuperación tremendo”, expresa.
Neuronas y siguientes pasos
Como ha ocurrido en muchos desarrollos científicos y tecnológicos, los adelantos prácticos ocurren antes que las explicaciones del por qué ocurren. Así pasó con este sistema, desde hace ocho años se demostró que funciona con animales y con humanos, pero los científicos tardaron varios años más en descubrir a las neuronas que estaban involucradas en esta recuperación.
La hipótesis de los científicos era que con la neurorrehabilitación y la estimulación eléctrica epidural (EES) se activan y remodelan las funciones esenciales de las neuronas, que aún no habían sido identificadas, de la médula espinal que son necesarias para caminar después de la parálisis.
En 2022, el equipo de Courtine llevó a cabo un ensayo con el objetivo de identificarlas y para ello realizaron un atlas de la médula espinal con imágenes de Tomografía por Emisión de Positrones (PET, por sus siglas en inglés) el método más poderoso para observar el interior del organismo humano en vivo y los resultados fueron publicados en la revista Nature, en noviembre de 2022 (consultar en: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05385-7).
“En primer lugar, comprobamos que la neurorrehabilitación con EES puede restablecer la movilidad en una población de individuos con lesiones de médula y esta recuperación implica la remodelación de la médula espinal lumbar”, detallan los científicos en el artículo.
La médula espinal está conformada por muchos y diversos tipos de células altamente interconectadas que constituyen una red de gran complejidad, por ello, los científicos llevaron a cabo análisis que nunca se habían realizado durante el proceso de rehabilitación de los pacientes, con gran precisión.
“Establecimos la primera cartografía molecular 3D de la columna vertebral”, dice Courtine. “Nuestro modelo nos permitió observar el proceso de recuperación con granularidad mejorada, a nivel de neurona”.
Prácticamente los investigadores pudieron visualizar la actividad de la médula espinal de los pacientes durante la neurorrehabilitación neurona por neurona e identificaron la actividad de las subpoblaciones de neuronas que se activaron con la estimulación eléctrica.
Así, después de varios meses de experimentación, descubrieron que la estimulación detonó la actividad de unas neuronas clasificadas como SCVsx2::Hoxa10 que activan un gen llamado Vsx2 que permite a las células reorganizarse para restaurar la movilidad.
En los pacientes sometidos a la interfaz cerebro-columna vertebral estas neuronas incrementaron su actividad durante la recuperación de la función motora, y observaron que, incluso sin ningún estímulo, esta rehabilitación se mantuvo, lo que le permite a Oskam continuar con el movimiento de las piernas aún con el sistema apagado.
En 2022 el equipo de courtine descubrió que la estimulación detonó la actividad de unas neuronas de la médula espinal llamadas SCVsx2::Hoxa10 que activan un gen llamado Vsx2 que permite a las células reorganizarse para restaurar la movilidad.
“La estimulación de la médula espinal promueve el crecimiento de las fibras nerviosas y hay una recuperación neurológica incluso sin estimulación”, señalan los científicos en el artículo.
“Es esencial que los neurocientíficos puedan comprender el papel específico que cada subpoblación neuronal juega en una actividad compleja como caminar”, comenta Jocelyn Bloch. “Nuestro estudio nos brindó información valiosa sobre el proceso de reorganización de las neuronas de la médula espinal”.
La investigadora afirma que este mismo procedimiento se puede aplicar en pacientes con otras patologías como derrames cerebrales, en los cuales se puede recuperar la actividad cortical vinculada con la médula espinal y estimular el movimiento de las extremidades.
“Nosotros creemos que hay muchas aplicaciones para esta nueva terapia pionera”, dice Bloch. “Oskam tiene una lesión incompleta, pero este procedimiento también funciona para lesiones completas”.
Entre los pasos siguientes de esta investigación se encuentra el miniaturizar todo el sistema, especialmente dispositivos como el casco con los auriculares que registran la actividad cerebral, la computadora que contiene el programa de inteligencia artificial y el marcapasos que genera los pulsos eléctricos. Esto los hará portátiles y más fáciles de usar en la vida cotidiana.
Asimismo, en los siguientes 12 meses los científicos llevarán a cabo un ensayo clínico con más pacientes para validar esta tecnología como un procedimiento médico. “Nuestro objetivo es llevar esta tecnología a todo el mundo, hacerla disponible a todas las personas que lo necesiten”, afirma Courtine.
El equipo de científicos estima que el costo de todo el procedimiento y tratamiento podría ser inferior a una decena de miles de dólares, pero consideran que se podría reducir aún más.
Por otro lado, implementarán este mismo sistema en las personas que han participado en los otros experimentos, para ellos solo tendrán que recalibrar cada sistema de forma personalizada y se les deberán colocar los implantes cerebrales.
“El implante ha cambiado mi vida”, expresa emocionado Oskam. “Ahora siento mis piernas y puedo caminar de manera natural, cada vez amplió los movimientos que puedo controlar con mis pensamientos”.
los científicos llevarán a cabo un ensayo clínico con más pacientes para validar esta tecnología como un procedimiento médico, con el objetivo es llevarla a todo el mundo y hacerla disponible a todas las personas que lo necesiten.
