Selectivity of Lateral Epidural Spinal Cord Stimulation with Varying Electrode Diameters and Stimulation Configurations

Resumen Técnico: Selectividad de la Estimulación de la Médula Espinal Epidural Lateral con Diámetros de Electrodo y Configuraciones de Estimulación Variables

Planteamiento del Problema
Investigaciones previas establecieron que la estimulación de la médula espinal (SCS) lateral puede evocar perceptos somatosensoriales en el pie ausente de individuos con amputaciones de extremidades inferiores. Sin embargo, una limitación significativa identificada en estudios previos es la sensación concurrente reportada en el miembro residual, lo que indica una falta de selectividad focal. El problema central abordado en este trabajo es determinar si el aumento de la densidad de electrodos con tamaños de contacto más pequeños y el uso de configuraciones de estimulación multipolares puede mejorar la selectividad de las sensaciones evocadas, específicamente dirigidas a las ramas nerviosas distales (el pie) sin activar las ramas proximales (el miembro residual) en un amplio rango de amplitudes de estimulación.

Metodología
El estudio empleó una estrategia de doble enfoque que combina experimentos de electrofisiología aguda y modelado computacional para investigar los patrones de reclutamiento neural en la médula espinal lumbar felina.

• Experimentos de electrofisiología: Se realizaron seis experimentos agudos en felinos que involucraron una laminectomía L3-S1. Se colocaron arreglos de paletas de 32 electrodos personalizados lateralmente sobre la duramadre. Los investigadores registraron potenciales de acción antidrómicos en las ramas distales de los troncos de los nervios ciático y femoral. Los experimentos probaron tres diámetros específicos de contacto de electrodo (150 µm, 500 µm y 1000 µm) y dos configuraciones de estimulación: monopolar y bipolar.
• Modelado computacional: Se desarrolló un modelo computacional de la médula espinal lumbar felina para replicar los patrones de reclutamiento neural observados en los experimentos con animales. Este modelo fue utilizado posteriormente para extrapolar los hallazgos a diámetros de contacto no probados in vivo (1.8 mm y 2.5 mm) y para evaluar una configuración tripolar de cátodo guardado.

Contribuciones Clave
Este estudio proporciona un análisis comparativo de cómo la geometría del electrodo y la configuración de la estimulación influyen en la selectividad de la SCS lateral. Vincula de manera única los datos electrofisiológicos in vivo con el modelado computacional para validar los patrones de reclutamiento y explorar espacios de parámetros más allá de las restricciones físicas de los experimentos con animales. El trabajo aísla específicamente los efectos del diámetro de contacto y el modo de estimulación sobre el umbral y el rango dinámico necesarios para reclutar aferentes de gran diámetro, los cuales son críticos para las aplicaciones somatosensoriales.

Resultados

• Diámetro del electrodo y selectividad: En los experimentos de electrofisiología, los electrodos de 500 µm de diámetro demostraron la mayor selectividad para la activación nerviosa con un 68%, en comparación con el 62% tanto para los electrodos de 150 µm como para los de 1000 µm.
• Umbrales y rango dinámico: Las amplitudes mínimas de estimulación requeridas para reclutar las ramas nerviosas (umbrales) y los rangos dinámicos fueron consistentes en la mayoría de los diferentes diámetros de contacto, con una mediana de umbral de 35 µA. Del mismo modo, las configuraciones de estimulación mostraron umbrales comparables: 30 µA para la estimación bipolar y 35 µA para la monopolar.
• Perspectivas del modelado: El modelo computacional confirmó que la selectividad no difirió significativamente entre los tres tamaños de contacto probados en los gatos. Sin embargo, el modelo predijo que aumentar el diámetro de contacto más allá de 1000 µm elevaría la amplitud mínima requerida para la activación selectiva y reduciría la selectividad de la raíz espinal.
• Reclutamiento de aferentes: Tanto el enfoque experimental como el de modelado demostraron consistentemente el reclutamiento de aferentes de gran diámetro, los cuales son esenciales para las aplicaciones somatosensoriales de la SCS.

Significancia
Los autores concluyen que, si bien la reducción del diámetro de contacto de los electrodos de estimulación en relación con los estándares clínicos puede evocar sensaciones más focales, existe un límite para esta mejora. Específicamente, las reducciones en el diámetro de contacto por debajo de 1000 µm pueden no lograr mejorar más la selectividad. El estudio destaca que existen restricciones para lograr la selectividad focal que son independientes del diseño del electrodo, lo que sugiere que factores más allá de la simple escala geométrica influyen en la capacidad de aislar las ramas nerviosas distales durante la estimulación de la médula espinal lateral.