New 3D Model Could Help Treat SCI and Other Neurological Disorders

A 3D model for treating paralysis shows how an implantable stimulator can target neurons that control specific muscles.

WVU neuroscience researchers Valeriya Gritsenko and Rachel Taitano helped develop a 3D model for treating paralysis. Photo Credit: West Virginia University

A 3D model developed by West Virginia University neuroscientists shows how an implantable stimulator – the kind used to treat chronic pain – can target neurons that control specific muscles.

The model should help medical professionals stimulate the parts of the spinal cord that are most effective for treating spinal cord injuries and other neurological disorders.

A stimulator, implanted on or near the spinal cord, works by delivering an electrical signal through a thin wire. To treat paralysis, stimulation targets particular areas of the spinal cord to help restore muscle function and movement.

However, stimulators haven’t been as effective as they could be because researchers don’t fully understand where motor neurons that connect to specific muscles are located within the spinal cord.

“If we really want to maximize the usefulness of these implants, we want to be able to select specific [motor neurons] that would activate specific muscles and assist with the movement in the right way and at the right time,” said Valeriya Gritsenko, associate professor in the WVU School of Medicine, departments of Human Performance—Physical Therapy, Neuroscience and the Rockefeller Neuroscience Institute. “Scientists want to use a model to figure out where to implant this system.”

To that end, Gritsenko plans to lead a team in building more sophisticated models of the neuromuscular system. With further studies and testing, researchers hope to better understand how much these devices can improve muscle function.

Conducting the Study

To conduct the study, researchers first created a 3D model of the motoneuron locations in a monkey’s spinal cord and compared it to the current knowledge of the human spinal cord. They also created 3D models of the musculoskeletal anatomy of the macaque and human right upper limb and compared those.

“We were looking at the differences and changes in muscle lengths across different postures in both the human model and the monkey model,” said Rachel Taitano, a doctoral student in medicine and neuroscience from Fairfax, Virginia, and lead author of the study. “The musculoskeletal model of the monkey shows that the biomechanics are similar to humans even though the species have differences in the muscles they use, the muscles they have, and different orientations and functionality.”

In particular, the study shows a close match in the distribution, or depth, of motoneuron pools along the spinal cord in macaques and humans. Those findings will allow scientists to gain precision in delivering treatment.

“Some motoneuron pools are deeper inside the spinal cord and others are closer to the surface,” Gritsenko explained. “This model allows us to look in depth to where those motoneuron pools might be closest to the surface. That’s where you would want to stimulate to potentially activate those muscles.”

‘Like Having an Autopilot Inside the Spine’

Gritsenko, who served as the primary investigator, explained that “knowing the spinal organization of motoneuron pools—groups of cells that connect to a single muscle—can reveal something fascinating. Our complex musculoskeletal system has evolved over time to enable the wide range of movements we see in all primates, including us humans. The team found that our spinal cords have built-in ‘maps’ that reflect this complex function. This ‘map’ helps simplify the control of our complex body by the spinal cord. It is like having an autopilot right inside the spine.”

Another colleague on the project, Sergiy Yakovenko, associate professor in the WVU School of Medicine, departments of Human Performance—Exercise Physiology, Neuroscience and RNI, has conducted similar studies on the spinal cord anatomy in quadrupedal animals. The new findings show how well the anatomy of the spinal cord is conserved across animals and how closely it reflects the actions of the muscles.

Further Research

Results from an applied science study that can be used to benefit patients in a clinical setting is what Taitano said drew her to the project.

“I think we can get a lot of information from non-invasive studies,” said Taitano, who holds an undergraduate degree in biomedical engineering. “Now that we can apply these findings on the millimeter and the nanometer scale, we can fabricate devices to apply what we’re seeing in a model like this.”

Gritsenko said scientists at two other universities have expressed interest in using the model to explore how the stimulation technology can be improved. She also plans to collaborate with a primate researcher at another university to validate the study’s findings in animal models.

“We want to do a muscle stimulation test based on the model predictions and see if we get the expected results,” she said. “We can try that first with monkeys and then, if it works out, we can try it with humans to further check that it is a good model for guiding these surgeries.”

Provided by West Virginia University

Un Nuevo Modelo 3D Podría Ayudar a Tratar las LME y Otros Trastornos Neurológicos

Un modelo 3D desarrollado por neurocientíficos de la Universidad de West Virginia muestra cómo un estimulador implantable (del tipo que se usa para tratar el dolor crónico) puede apuntar a las neuronas que controlan músculos específicos.

El modelo debería ayudar a los profesionales médicos a estimular las partes de la médula espinal que son más efectivas para tratar lesiones de la médula espinal y otros trastornos neurológicos.

Un estimulador, implantado en la médula espinal o cerca de ella, funciona enviando una señal eléctrica a través de un cable delgado. Para tratar la parálisis, la estimulación se dirige a áreas específicas de la médula espinal para ayudar a restaurar la función y el movimiento de los músculos.

Sin embargo, los estimuladores no han sido tan efectivos como podrían ser porque los investigadores no comprenden completamente dónde se encuentran las neuronas motoras que se conectan a músculos específicos dentro de la médula espinal.

“Si realmente queremos maximizar la utilidad de estos implantes, queremos poder seleccionar [neuronas motoras] específicas que activen músculos específicos y ayuden con el movimiento de la manera correcta y en el momento adecuado”, dijo Valeriya Gritsenko, profesor asociado en la Facultad de Medicina de WVU, departamentos de Desempeño Humano: Terapia Física, Neurociencia y el Instituto de Neurociencia Rockefeller. “Los científicos quieren utilizar un modelo para determinar dónde implantar este sistema”.

Con ese fin, Gritsenko planea liderar un equipo para construir modelos más sofisticados del sistema neuromuscular. Con más estudios y pruebas, los investigadores esperan comprender mejor en qué medida estos dispositivos pueden mejorar la función muscular.

Realización del Estudio

Para realizar el estudio, los investigadores primero crearon un modelo 3D de las ubicaciones de las motoneuronas en la médula espinal de un mono y lo compararon con el conocimiento actual sobre la médula espinal humana. También crearon modelos 3D de la anatomía musculoesquelética del macaco y la extremidad superior derecha humana y los compararon.

“Estábamos observando las diferencias y los cambios en la longitud de los músculos en diferentes posturas tanto en el modelo humano como en el modelo de mono”, dijo Rachel Taitano, estudiante de doctorado en medicina y neurociencia de Fairfax, Virginia, y autora principal del estudio. “El modelo musculoesquelético del mono muestra que la biomecánica es similar a la de los humanos, aunque las especies tienen diferencias en los músculos que usan, los músculos que tienen y diferentes orientaciones y funcionalidades”.

En particular, el estudio muestra una estrecha coincidencia en la distribución o profundidad de los grupos de motoneuronas a lo largo de la médula espinal en macacos y humanos. Esos hallazgos permitirán a los científicos ganar precisión en la administración del tratamiento.

“Algunos grupos de motoneuronas están más profundos dentro de la médula espinal y otros más cerca de la superficie”, explicó Gritsenko. “Este modelo nos permite observar en profundidad dónde esos grupos de motoneuronas podrían estar más cerca de la superficie. Ahí es donde se necesita estimular para activar potencialmente esos músculos”.

‘Como Tener un Piloto Automático Dentro de la Columna Vertebral’

Gritsenko, quien fue el investigador principal, explicó que “conocer la organización espinal de los grupos de motoneuronas (grupos de células que se conectan a un solo músculo) puede revelar algo fascinante. Nuestro complejo sistema musculoesquelético ha evolucionado con el tiempo para permitir una amplia gama de movimientos”. Vemos en todos los primates, incluidos nosotros los humanos. El equipo descubrió que nuestra médula espinal tiene ‘mapas’ incorporados que reflejan esta función compleja. Este ‘mapa’ ayuda a simplificar el control de nuestro complejo cuerpo por parte de la médula espinal. tener un piloto automático justo dentro de la columna vertebral”.

Otro colega del proyecto, Sergiy Yakovenko, profesor asociado de la Facultad de Medicina de WVU, departamentos de Rendimiento Humano: Fisiología del Ejercicio, Neurociencia y RNI, ha realizado estudios similares sobre la anatomía de la médula espinal en animales cuadrúpedos. Los nuevos hallazgos muestran qué tan bien se conserva la anatomía de la médula espinal en los animales y qué tan fielmente refleja las acciones de los músculos.

Más Investigación

Los resultados de un estudio de ciencia aplicada que se pueden utilizar para beneficiar a los pacientes en un entorno clínico es lo que, según Taitano, la atrajo al proyecto.

“Creo que podemos obtener mucha información a partir de estudios no invasivos”, afirmó Taitano, licenciado en ingeniería biomédica. “Ahora que podemos aplicar estos hallazgos en la escala milimétrica y nanométrica, podemos fabricar dispositivos para aplicar lo que estamos viendo en un modelo como este”.

Gritsenko dijo que los científicos de otras dos universidades han expresado interés en utilizar el modelo para explorar cómo se puede mejorar la tecnología de estimulación. También planea colaborar con un investigador de primates de otra universidad para validar los hallazgos del estudio en modelos animales.

“Queremos hacer una prueba de estimulación muscular basada en las predicciones del modelo y ver si obtenemos los resultados esperados”, dijo. “Podemos intentarlo primero con monos y luego, si funciona, podemos probarlo con humanos para comprobar que es un buen modelo para guiar estas cirugías”.
Proporcionado por la Universidad de Virginia Occidental

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