Marcapasos de base neuronal
En personas sanas, la frecuencia cardíaca varía dentro del ciclo respiratorio, lo cual implica que el corazón lata un poco más rápido durante la respiración respecto a la fase de exhalación. Esta modulación de la frecuencia de los latidos cardíacos mediante la respiración se denomina «arritmia sinusal respiratoria» y su deterioro constituye un pronóstico precoz de cardiopatías crónicas, como las arritmias crónicas o la insuficiencia cardíaca. El restablecimiento de la variabilidad cardíaca entre latidos se ha considerado un tratamiento importante para estas enfermedades, que no se abordan adecuadamente con los tratamientos existentes. Por lo tanto, un dispositivo que reaccione a la respuesta fisiológica de forma similar a las neuronas respiratorias podría llegar a ofrecer una alternativa terapéutica valiosa en el caso de las cardiopatías crónicas.
Un marcapasos que reproduce los latidos naturales del corazón
El equipo del proyecto CResPace, financiado con fondos europeos, ha creado un nuevo marcapasos que aborda esta cuestión mediante la resincronización de las cavidades cardíacas a la vez que restablece la adaptación de la frecuencia cardíaca, y los retrasos de las cavidades cardíacas, a las respuestas fisiológicas en función de cada latido. La función del marcapasos CResPace es diferente a la de un marcapasos cardíaco convencional, el cual proporciona una estimulación eléctrica a un ritmo constante en el músculo cardíaco con el objetivo de mantener un latido cardíaco regular. La tecnología reproduce el funcionamiento de los circuitos neuronales situados en la base del encéfalo, denominados «generadores centrales de patrones», cuya función es controlar la respiración y el ritmo cardíaco. «Nuestro marcapasos vuelve a sincronizar la contracción de las cavidades cardíacas como respuesta a los cambios en los patrones de respiración, la concentración de oxígeno arterial, el dióxido de carbono arterial y la presión arterial para revertir las enfermedades cardíacas crónicas», explica Alain Nogaret, coordinador del proyecto. Para ello, el equipo diseñó sensores de gases arteriales y de presión arterial que transmiten esa información al marcapasos en tiempo real. Estos, a su vez, se pudieron miniaturizar y se prevé que puedan aplicarse a una mayor variedad de dispositivos bioelectrónicos destinados a controlar las respuestas fisiológicas y adaptarse a ellas.
Herramientas informáticas para dominar la dinámica neuronal
Uno de los principales desafíos y obstáculos para aplicar la electrónica neuronal a los dispositivos bioelectrónicos era el acondicionamiento de los circuitos neuronales artificiales, a fin de que se adaptaran correctamente a la información fisiológica. Para ello, los investigadores idearon sofisticadas técnicas informáticas que obtienen los parámetros óptimos del circuito para reproducir la adaptación del corazón sano. Además de proporcionar la adaptación correcta, los circuitos neuronales presentan una capacidad singular para volver a sincronizar los ritmos biológicos gracias a la respuesta no lineal de las neuronas. Todo ello permite ahorrar energía al corazón afectado y, junto con la adaptación, puede mejorar considerablemente la función cardíaca en modelos de la enfermedad. «La posibilidad de frenar la progresión de este tipo de enfermedades cardíacas mortales y curarlas representa un gran logro del proyecto», subraya Nogaret.
Validación del marcapasos
El marcapasos ha sido validado en su entorno operativo al restablecer la función cardíaca y someterlo a una modulación respiratoria en modelos de la enfermedad. La próxima fase del desarrollo consistirá en preparar la tecnología para que pueda utilizarse en personas y cumpla los requisitos del marcado CE. La base de la tecnología puede extenderse a otras enfermedades con el fin de restablecer el funcionamiento normal de los órganos afectados. Además, el método CResPace sienta las bases de la ingeniería neuromórfica, ya que reproduce fielmente la dinámica neuronal nativa en un chip.
Palabras clave
CResPace, marcapasos, circuitos neuronales, arritmia sinusal respiratoria, generadores centrales de patrones
