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Resumo Uma lesão na medula espinhal interrompe a comunicação entre o cérebro e a região da medula espinhal que produz a marcha, levando à paralisia. No estudo, Lorach e colaboradores (2023) restauraram essa comunicação com uma ponte digital entre o cérebro e a medula espinhal que permitiu que uma pessoa com tetraplegia crônica se levantasse e andasse naturalmente em ambientes comunitários. Esta interface cérebro-espinha (BSI) consiste em sistemas de estimulação e gravação totalmente implantados que estabelecem uma ligação direta entre os sinais corticais e a modulação analógica da estimulação elétrica epidural direcionada às regiões da medula espinhal envolvidas na produção da marcha. Uma Interface Cérebro-Espinha (BSI) altamente confiável é calibrada em apenas alguns minutos. Essa confiabilidade tem se mantido estável por um ano, mesmo durante o uso autônomo em casa. O participante relatou que a BSI permite que ele tenha controle natural sobre os movimentos de suas pernas para ficar em pé, andar, subir escadas e até atravessar terrenos complexos. Além disso, a neuroreabilitação melhorou a recuperação neurológica. O participante recuperou a capacidade de andar com muletas no solo mesmo quando o BSI foi desligado. Esta ponte digital estabelece uma estrutura para restaurar o controle natural do movimento após a paralisia. |
O tratamento
Para andar, o cérebro envia comandos executivos aos neurônios localizados na medula espinhal lombossacral. Embora a maioria das lesões da medula espinhal não danifique diretamente esses neurônios, a interrupção das vias descendentes interrompe os comandos derivados do cérebro que são necessários para que esses neurônios produzam a marcha. A consequência é a paralisia permanente.
Anteriormente, Lorach e colaboradores (2023) demonstraram que a estimulação elétrica peridural direcionada a zonas individuais de entrada da raiz dorsal da medula espinhal lombossacral permite a modulação de grupos motores específicos das pernas. Por sua vez, o recrutamento dessas zonas de entrada da raiz dorsal com sequências espaço-temporais pré-programadas replica a ativação fisiológica dos grupos motores das pernas subjacentes ao bipedalismo e à marcha. Essas sequências de estimulação restauraram a postura básica e a marcha em pessoas paralisadas devido a lesões na medula espinhal. No entanto, essa recuperação exigia sensores de movimento vestíveis para detectar intenções motoras de movimentos residuais ou estratégias compensatórias para iniciar sequências de estimulação pré-programadas. Consequentemente, o controle da marcha não foi percebido como completamente natural. Além disso, os participantes mostraram capacidade limitada de adaptar os movimentos das pernas às mudanças de terreno e demandas volitivas.
Por isso, os pesquisadores sugeriram que uma ponte digital entre o cérebro e a medula espinhal permitiria o controle voluntário sobre o tempo e a amplitude da atividade muscular, restaurando o controle mais natural e adaptativo de ficar em pé e andar nas pessoas com paralisia por lesão medular.
Ponte digital do cérebro com a medula espinhal
Para estabelecer essa ponte digital, os pesquisadores integraram dois sistemas totalmente implantados que permitem o registro da atividade cortical e a estimulação da medula espinhal lombossacral sem fio e em tempo real (Fig. 1a).
Fig. 1: Desenho, tecnologia e implementação do BSI. a, Dois implantes corticais compostos por 64 eletrodos são colocados epiduralmente sobre o córtex sensório-motor para coletar sinais de ECoG. Uma unidade de processamento prevê intenções motoras e traduz essas previsões na modulação de programas de estimulação elétrica peridural direcionados às zonas de entrada da raiz dorsal da medula espinhal lombossacral. Os estímulos são fornecidos por um gerador de pulso implantável conectado a um cabo de pá de 16 eletrodos. b, Imagens que informam o planejamento pré-operatório das localizações dos implantes corticais e a confirmação pós-operatória. E, esquerda; R, correto. c, Modelo computacional personalizado que prevê a colocação ideal do fio de remo para direcionar as zonas de entrada da raiz dorsal associadas aos músculos das extremidades inferiores e confirmação pós-operatória.
Essa cadeia integrada de hardware e software estabeleceu uma ponte digital sem fio entre o cérebro e a medula espinhal: uma interface cérebro-espinha (BSI) que converte a atividade cortical na modulação analógica de programas de estimulação elétrica peridural para ajustar a ativação dos músculos das extremidades inferiores e, assim, recuperar a posição de pé e andar após paralisia devido a lesão da medula espinhal.
| Discussão |
Nós imaginamos uma ponte digital sem fio entre o cérebro e a medula espinhal que restaurou o controle natural sobre os movimentos das extremidades inferiores para ficar de pé e caminhar em terrenos complexos após paralisia devido a lesão na medula espinhal. Além disso, a neurorreabilitação mediou melhorias neurológicas que persistiram mesmo quando a ponte foi desligada.
A validação desta ponte digital foi restrita a um único indivíduo com dano grave, mas parcial, da medula espinhal e, portanto, não está claro se a interface cérebro-espinha (BSI) será aplicável a outros locais e gravidades de lesões. No entanto, várias observações sugeriram que essa abordagem será aplicável a uma ampla população de pessoas com paralisia. Primeiro, os princípios fisiológicos subjacentes à estimulação elétrica epidural da medula espinhal já foram validados em nove de nove pessoas tratadas com lesões incompletas e completas. Em segundo lugar, desenvolvemos procedimentos que suportam a calibração fácil, rápida e estável da ligação entre a atividade cortical e os programas de estimulação, permitindo que o participante opere o BSI em casa sem supervisão. Terceiro, robustez e estabilidade comparáveis dessa estrutura de decodificação cerebral computacional e tecnológica já foram observadas em mais duas pessoas com tetraplegia. Embora a experiência anterior do participante com estimulação tenha acelerado a configuração do BSI, não vislumbramos maiores impedimentos para a implementação de um BSI em novos indivíduos. De fato, conseguimos estabelecer programas de estimulação que restauraram a marcha em um dia em três participantes com paralisia sensório-motora completa.
O conceito de uma ponte digital entre o cérebro e a medula espinhal anuncia uma nova era no tratamento de déficits motores de distúrbios neurológicos.