Neuromecánica

La neuromecánica es un campo interdisciplinario que combina la biomecánica y la neurociencia para comprender cómo interactúa el sistema nervioso con los sistemas esquelético y muscular para permitir que los animales se muevan. ^{[1] [2]} En una tarea motora, como alcanzar un objeto, se envían comandos neuronales a las neuronas motoras para activar un conjunto de músculos, llamados sinergias musculares. Según qué músculos se activan y cómo están conectados al esqueleto, habrá un movimiento correspondiente y específico del cuerpo. ^[3] Además de participar en los reflejos , el proceso neuromecánico también puede moldearse a través de la adaptación y el aprendizaje motor . ^[4]

La teoría del péndulo invertido es un enfoque neuromecánico para comprender cómo caminan los humanos. Como lo indica el nombre de la teoría, un humano que camina se modela como un péndulo invertido que consiste en un centro de masas (CM) suspendido sobre el suelo mediante una pierna de apoyo (Fig. 2). A medida que el péndulo invertido oscila hacia adelante, se producen fuerzas de reacción del suelo entre la pierna modelada y el suelo. Es importante destacar que la magnitud de las fuerzas de reacción del suelo depende de la posición y el tamaño del CM. El vector de velocidad del centro de masas siempre es perpendicular a la fuerza de reacción del suelo. ^[5]

La marcha se compone de fases alternadas de apoyo simple y doble. La fase de apoyo simple ocurre cuando una pierna está en contacto con el suelo, mientras que la fase de apoyo doble ocurre cuando las dos piernas están en contacto con el suelo. ^[6]

El péndulo invertido se estabiliza mediante una retroalimentación constante del cerebro y puede funcionar incluso en presencia de pérdida sensorial . En los animales que han perdido toda la información sensorial de la extremidad en movimiento, las variables producidas por la marcha (aceleración del centro de masa, velocidad del animal y posición del animal) permanecen constantes entre ambos grupos. ^[7]

Durante el control postural, se utilizan mecanismos de retroalimentación retardada en la reproducción temporal de funciones a nivel de tarea, como caminar. El sistema nervioso tiene en cuenta la retroalimentación del centro de masas, la aceleración, la velocidad y la posición de un individuo y utiliza la información para predecir y planificar movimientos futuros. La aceleración del centro de masas es esencial en el mecanismo de retroalimentación, ya que esta se produce antes de que se puedan determinar datos de desplazamiento significativos. ^[8]

La teoría del péndulo invertido contradice directamente los seis determinantes de la marcha, otra teoría para el análisis de la marcha. ^[9] Los seis determinantes de la marcha predicen un gasto de energía muy alto para el movimiento sinusoidal del centro de masa durante la marcha, mientras que la teoría del péndulo invertido ofrece la posibilidad de que el gasto de energía pueda ser cercano a cero; la teoría del péndulo invertido predice que se requiere poco o ningún trabajo para caminar. ^[5]

La electromiografía (EMG) es una herramienta que se utiliza para medir las señales eléctricas que producen los músculos esqueléticos al activarse. Los nervios motores inervan los músculos esqueléticos y provocan la contracción cuando el sistema nervioso central lo ordena. Esta contracción se mide mediante la EMG y normalmente se mide en la escala de milivoltios (mV). Otra forma de datos de EMG que se analiza son los datos de EMG integrados (iEMG). La iEMG mide el área bajo la señal EMG que corresponde al esfuerzo muscular general en lugar del esfuerzo en un instante específico.

Hay cuatro componentes de instrumentación que se utilizan para detectar estas señales: (1) la fuente de la señal, (2) el transductor utilizado para detectar la señal, (3) el amplificador y (4) el circuito de procesamiento de la señal. ^[10] La fuente de la señal se refiere a la ubicación en la que se coloca el electrodo EMG. La adquisición de la señal EMG depende de la distancia entre el electrodo y la fibra muscular, por lo que la ubicación es imperativa. El transductor utilizado para detectar la señal es un electrodo EMG que transforma la señal bioeléctrica del músculo en una señal eléctrica legible. ^[10] El amplificador reproduce una señal bioeléctrica sin distorsión y también permite la reducción de ruido en la señal. ^[10] El procesamiento de la señal implica tomar los impulsos eléctricos registrados, filtrarlos y envolver los datos. ^[10]

La latencia es una medida del lapso de tiempo entre la activación de un músculo y su valor EMG máximo. La latencia se utiliza como un medio para diagnosticar trastornos del sistema nervioso, como una hernia de disco , esclerosis lateral amiotrófica (ELA) o miastenia gravis (MG). ^[11] Estos trastornos pueden causar una interrupción de la señal en el músculo, el nervio o la unión entre el músculo y el nervio.

El uso de EMG para identificar trastornos del sistema nervioso se conoce como estudio de conducción nerviosa (NCS). Los estudios de conducción nerviosa solo pueden diagnosticar enfermedades a nivel muscular y nervioso. No pueden detectar enfermedades en la médula espinal o el cerebro. En la mayoría de los trastornos del músculo, nervio o unión neuromuscular , el tiempo de latencia aumenta. ^[12] Esto es el resultado de la disminución de la conducción nerviosa o estimulación eléctrica en el sitio del músculo. En el 50% de los pacientes con casos de atrofia cerebral, la latencia del reflejo espinal M3 aumentó y, en ocasiones, se separó de la respuesta del reflejo espinal M2. ^{[13] [14]} La separación entre las respuestas del reflejo espinal M2 y M3 es típicamente de 20 milisegundos, pero en pacientes con atrofia cerebral, la separación se aumentó a 50 ms. En algunos casos, sin embargo, otros músculos pueden compensar el músculo que sufre una estimulación eléctrica disminuida. En el músculo compensatorio, el tiempo de latencia en realidad se reduce para sustituir la función del músculo enfermo. ^[15] Este tipo de estudios se utilizan en neuromecánica para identificar trastornos motores y sus efectos a nivel celular y eléctrico en lugar de a nivel de movimiento del sistema.

Una sinergia muscular es un grupo de músculos sinérgicos y agonistas que trabajan juntos para realizar una tarea motora. Una sinergia muscular está compuesta por músculos agonistas y sinérgicos. Un músculo agonista es un músculo que se contrae individualmente y puede provocar una cascada de movimiento en los músculos vecinos. Los músculos sinérgicos ayudan a los músculos agonistas en las tareas de control motor, pero actúan contra el exceso de movimiento que los agonistas pueden crear.

La hipótesis de la sinergia muscular se basa en el supuesto de que el sistema nervioso central controla grupos musculares de forma independiente en lugar de músculos individuales. ^{[16] [17]} La ​​hipótesis de la sinergia muscular presenta el control motor como una jerarquía de tres niveles. En el nivel uno, el sistema nervioso central crea un vector de tarea motora. Luego, el sistema nervioso central transforma el vector muscular para actuar sobre un grupo de sinergias musculares en el nivel dos. Luego, en el nivel tres, las sinergias musculares definen una proporción específica de la tarea motora para cada músculo y la asignan a su respectivo músculo para actuar sobre la articulación para realizar la tarea motora.

La redundancia muscular desempeña un papel importante en la sinergia muscular. La redundancia muscular es un problema de grados de libertad a nivel muscular. ^[18] El sistema nervioso central tiene la oportunidad de coordinar los movimientos musculares y debe elegir uno entre muchos. El problema de la redundancia muscular es el resultado de que hay más vectores musculares que dimensiones en el espacio de tareas. Los músculos solo pueden generar tensión tirando, no empujando. Esto da como resultado muchos vectores de fuerza muscular en múltiples direcciones en lugar de un empujón y un tirón en la misma dirección.

Un debate sobre las sinergias musculares se da entre la estrategia del motor principal y la estrategia de cooperación. ^[18] La estrategia del motor principal surge cuando el vector de un músculo puede actuar en la misma dirección que el vector de acción mecánica, el vector del movimiento de la extremidad. La estrategia de cooperación, sin embargo, tiene lugar cuando ningún músculo puede actuar directamente en la dirección del vector de la acción mecánica, lo que da como resultado una coordinación de múltiples músculos para lograr la tarea. La estrategia del motor principal ha perdido popularidad con el tiempo, ya que se ha descubierto a través de estudios de electromiografía que ningún músculo proporciona de manera constante más fuerza que otros músculos que actúan para mover una articulación. ^[19]

La teoría de la sinergia muscular es difícil de refutar. ^[20] Aunque la experimentación ha demostrado que los grupos de músculos efectivamente trabajan juntos para controlar las tareas motoras, las conexiones neuronales permiten que se activen los músculos individuales. Aunque la activación de músculos individuales puede contradecir la sinergia muscular, también la oscurece. La activación de músculos individuales puede anular o bloquear la entrada y el efecto general de las sinergias musculares. ^[20]

La adaptación, en el sentido neuromecánico, es la capacidad del cuerpo de cambiar una acción para que se adapte mejor a la situación o al entorno en el que actúa. La adaptación puede ser resultado de una lesión, de la fatiga o de la práctica. La adaptación se puede medir de diversas formas: mediante electromiografía, reconstrucción tridimensional de articulaciones y cambios en otras variables relacionadas con la adaptación específica que se está estudiando.

Las lesiones pueden provocar una adaptación de diversas maneras. La compensación es un factor importante en la adaptación a las lesiones. La compensación es el resultado del debilitamiento de uno o más músculos. El cerebro recibe la tarea de realizar una determinada tarea motora y, una vez que un músculo se ha debilitado, el cerebro calcula las proporciones de energía que debe enviar a otros músculos para que realicen la tarea original de la manera deseada. El cambio en la contribución muscular no es la única consecuencia de una lesión relacionada con los músculos. El cambio en la carga de la articulación es otro resultado que, si se prolonga, puede ser perjudicial para el individuo. ^[21]

La fatiga muscular es la adaptación neuromuscular a los desafíos a lo largo del tiempo. El uso de unidades motoras durante un período de tiempo puede provocar cambios en el comando motor del cerebro. Dado que la fuerza de contracción no se puede cambiar, el cerebro recluta más unidades motoras para lograr la contracción muscular máxima. ^[22] El reclutamiento de unidades motoras varía de un músculo a otro dependiendo del límite superior de reclutamiento motor en el músculo. ^[22]

La adaptación debida a la práctica puede ser el resultado de una práctica intencionada, como los deportes, o de una práctica no intencionada, como el uso de una ortesis . En los atletas, la repetición da como resultado la memoria muscular . La tarea motora se convierte en una memoria a largo plazo que se puede repetir sin mucho esfuerzo consciente. Esto permite al atleta centrarse en afinar su estrategia de tarea motora. La resistencia a la fatiga también viene con la práctica, ya que el músculo se fortalece, pero la velocidad a la que un atleta puede completar una tarea motora también aumenta con la práctica. ^[23] Los jugadores de voleibol en comparación con los no saltadores muestran un control más repetible de los músculos que rodean la rodilla que se controla por coactivación en la condición de salto único. ^[23] En la condición de salto repetido, tanto los jugadores de voleibol como los no saltadores tienen una disminución lineal en el tiempo de vuelo de salto normalizado. ^[23] Aunque la disminución lineal normalizada es la misma para los atletas y los no atletas, los atletas tienen consistentemente tiempos de vuelo más altos.

También existe una adaptación asociada con el uso de una prótesis o una órtesis. Esto funciona de manera similar a la adaptación debido a la fatiga; sin embargo, los músculos pueden fatigarse o alterar su contribución mecánica a una tarea motora como resultado de usar la órtesis. Una órtesis de tobillo y pie es una solución común para las lesiones de la extremidad inferior, específicamente alrededor de la articulación del tobillo. Una órtesis de tobillo y pie puede ser de asistencia o de resistencia. Una órtesis de tobillo y pie de asistencia fomenta el movimiento del tobillo, y una órtesis de tobillo de resistencia inhibe el movimiento del tobillo. ^[24] Al usar una órtesis de tobillo y pie de asistencia, las personas tienen una amplitud EMG y una rigidez articular reducidas con el tiempo, mientras que ocurre lo contrario con las órtesis de tobillo y pie de resistencia. ^[24] Además, no solo pueden diferir las lecturas de la electromiografía, sino que también puede alterarse el camino físico que recorren las articulaciones. ^[25]