Xalapeño trabaja en Tecnológico de Massachussets para “revivir” órganos inservibles y conectarlos al cerebro

 Guillermo Herrera-Arcos nació en la capital de Veracruz. Estudió sus diversos grados en las escuelas Summer Hills, Motolinía y Oficial B. Cursó la Licenciatura en Sistemas Digitales y Robótica en el Instituto Tecnológico de Monterrey. De ahí se hizo acreedor a una beca para continuar estudiando en el prestigioso Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), donde obtuvo Maestría y Doctorado. Tiene 30 años de edad.

Y ahora codirige un estudio futurista, junto al investigador Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios en el MIT Media Lab, y codirector del Centro K. Lisa Yang para la Biónica, así como miembro asociado del Instituto McGovern para la Investigación Cerebral del MIT.

Guillermo Herrera-Arcos es nieto del ex alcalde de Altotonga, Ramiro Arcos Toledano. Sus padres residen en Xalapa, aunque ahora pasan algún tiempo con su otra hija, que es médica y vive en Monterrey. Guillermo es también sobrino-nieto de Carlos Darío Arcos Omaña, fundador y director de la renombrada Banda Rams, aunque ahora se dispone a tener más fama que la celebridad lograda por su conocido tío-abuelo.

“Revivir” órganos dañados y reconectarlos

La investigación va orientada a reprogramar músculos vivos para convertirlos en motores resistentes a la fatiga, controlados por computadora, los cuales pueden implantarse dentro del cuerpo para restaurar el movimiento en los órganos.

Esto significa reanimar mediante tecnología partes del cuerpo que han perdido su conexión con el cerebro, como una vejiga que ya no puede vaciarse debido a una lesión medular, o intestinos que no pueden expulsar los alimentos debido a la enfermedad de Crohn.

Igualmente, que mediante esa tecnología se puedan enviar al cerebro sensaciones como el hambre o el tacto.

En un estudio de acceso abierto publicado en Nature Communications , los investigadores presentan un novedoso actuador mioneural (MNA):

“Hemos creado una interfaz que aprovecha las vías naturales del sistema nervioso para controlar sin problemas los órganos del cuerpo, a la vez que permite la transmisión de información sensorial al cerebro”, afirma Hugh Herr.

El estudio fue codirigido por Guillermo Herrera-Arcos, investigador postdoctoral de Herr, y Hyungeun Song, antigua investigadora postdoctoral.

Al reutilizar músculos ya existentes en el cuerpo, los investigadores han desarrollado el primer implante “vivo” que utiliza nervios sensoriales modificados para revivir órganos paralizados, lo que podría dar lugar a un nuevo tipo de medicina, donde el propio tejido de la persona se convierte en el componente principal.

Reconfigurando la interfaz cerebro-cuerpo

Muchos científicos se han esforzado por restaurar la función de órganos paralizados, pero diseñar una tecnología que se comunique con el sistema nervioso y que no se fatigue con el tiempo es extremadamente difícil.

Algunos han intentado implantar actuadores miniaturizados —pequeñas máquinas que pueden impulsar extremidades biónicas— en el cuerpo.

Sin embargo, Herrera-Arcos afirma: «Es difícil fabricar actuadores a nivel centimétrico, y no son muy eficientes». Otros se han centrado en crear tejido muscular en el laboratorio, pero la construcción de músculos célula a célula requiere mucho tiempo y está lejos de estar lista para su uso en humanos.

El equipo de Herr intentó algo diferente.

“Diseñamos músculos ya existentes para convertirlos en un actuador, o motor, que restablece el movimiento en los órganos”, dice Song.

Para ello, los investigadores tuvieron que comprender la delicada dinámica del sistema nervioso. El actuador debía interactuar con el sistema nervioso para funcionar correctamente, pero también debía eludir de alguna manera el control cerebral.

«No queremos que el cerebro controle conscientemente el actuador muscular, ya que buscamos que este controle automáticamente un órgano, como el corazón», explica Herrera-Arcos. Establecer un músculo controlado por computadora para mover órganos podría garantizar el funcionamiento automático y, además, sortear las vías cerebrales dañadas.

La incorporación de neuronas motoras al actuador puede ayudar a generar movimiento, pero estas neuronas están controladas directamente por el cerebro. «Las neuronas sensoriales, en cambio, están conectadas para recibir, no para dar órdenes», explica Song. «Pensamos que podríamos aprovechar esta dinámica y redirigir las señales motoras a través de las fibras sensoriales, convirtiendo así a un ordenador —en lugar del cerebro— en el nuevo centro de control del músculo».

Para lograrlo, los nervios sensoriales tendrían que fusionarse fluidamente con el músculo, y los científicos aún no habían determinado si esto era posible. Sorprendentemente, cuando el equipo reemplazó los nervios motores en el músculo de roedores por nervios sensoriales, «los nervios sensoriales volvieron a inervar los músculos y formaron sinapsis funcionales. Es un descubrimiento extraordinario», afirma Herrera-Arcos.

Las neuronas sensoriales no solo permitieron el uso de un controlador digital, sino que también ayudaron a mitigar la fatiga muscular, aumentando la resistencia a la fatiga en los músculos de roedores en un 260 % ​​en comparación con los músculos nativos. Esto se debe a que la fatiga muscular depende en gran medida del diámetro de los axones, o proyecciones similares a cables que inervan los músculos.

Los axones de las neuronas motoras varían mucho en tamaño, y cuando un nervio motor se estimula eléctricamente, los axones más grandes se activan primero, agotando rápidamente el músculo. Sin embargo, los axones sensoriales tienen casi el mismo tamaño, por lo que la señal se transmite de manera más uniforme a través de las fibras musculares, evitando la fatiga, explica Herrera-Arcos.

Diseño de un sistema biohíbrido

Combinaron todos estos elementos en un motor biohíbrido resistente a la fatiga llamado actuador mioneural (AMN). Al envolver el actuador alrededor de un intestino paralizado en un roedor, los investigadores restablecieron el movimiento de contracción del órgano.

También lograron controlar con éxito los músculos de la pantorrilla de roedores en un experimento diseñado para imitar el músculo residual en amputaciones de miembros inferiores en humanos. Es importante destacar que el sistema AMN transmitió señales sensoriales al cerebro. «Esto sugiere que nuestra tecnología podría conectar órganos con el cerebro de forma fluida. Por ejemplo, podríamos lograr que un estómago paralizado transmita la sensación de hambre», explica Song.

Para llevar su MNA a la práctica clínica, se requerirán más pruebas en modelos animales de mayor tamaño y, finalmente, en humanos. Sin embargo, si supera las pruebas regulatorias, su sistema podría allanar el camino hacia la recuperación de órganos inactivos de forma más segura y eficaz. Según los investigadores, la implantación de MNA requeriría una cirugía que ya es habitual en la clínica, y su sistema podría ser más sencillo y seguro de implementar que los dispositivos mecánicos o los trasplantes de órganos que introducen material extraño en el cuerpo.

Otro de los trabajos en los que participa en joven científico son en controlar los músculos con luz.

El equipo confía en que su nueva tecnología pueda mejorar la vida de millones de personas que padecen disfunciones orgánicas. «Las soluciones actuales son mayoritariamente sintéticas: marcapasos y otros dispositivos de asistencia mecánica. Un actuador muscular vivo implantado junto a un órgano debilitado formaría parte del propio cuerpo. Se trata de una rama de la medicina distinta a todo lo que se ve en la práctica clínica», explica Herrera-Arcos.

Song afirma que la piel es de especial interés. «Hipotéticamente, podríamos envolver injertos de piel con microagujas para transmitir información táctil, como tensión o esfuerzo, algo que actualmente no experimentan los usuarios de prótesis». Su tecnología incluso podría mejorar los sistemas de realidad virtual.

«La idea es que, si acoplamos el sistema de microagujas a la piel y los músculos, una persona podría sentir lo que toca su avatar virtual aunque su cuerpo real no se mueva», explica Song.

“Nuestra investigación está a punto de dar nueva vida a diversas partes y extensiones del cuerpo”, añade Herrera-Arcos. “Es emocionante pensar que nuestro sistema podría potenciar el potencial humano de maneras que antes sólo pertenecían al ámbito de la ciencia ficción”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Yang Tan Collective del MIT, el K. Lisa Yang Center for Bionics del MIT, el Nakos Family Bionics Research Fund del MIT y la Carl and Ruth Shapiro Foundation.