LABORATORIO DE ELECTROMIOGRAFIA
INTRODUCCIÓN El movimiento muscular es uno de los signos primordiales de vida en cualquier animal, por esta razón, el ser humano ha sentido una gran curiosidad por entender y estudiar los órganos que nos permiten la locomoción corporal, los músculos. Gracias al interés de grandes personajes de la ciencia, como Galvani y Duchenne, por caracterizar el músculo y su funcionamiento, correlacionándola con los fenómenos eléctricos asociados a la misma, hoy en día contamos con herramientas bastante efectivos que nos permiten reconocer las anomalías que pueda presentar, de esta forma, tomar las medidas correctivas necesarias n ecesarias para mejorar la calidad de vida de aquellos que pueden ver disminuida su capacidad de uso en cualquier músculo esquelético. Estos desarrollos en el campo de electrofisiología nos ha suministrado hardware que permite la adquisición y el acondicionamiento de las señales fisiológicas, y el software capaz de interpretar y graficar las mismas, por ejemplo, PowerLab y LabTutor, hardware y software software respectivamente, respectivamente, son un par de herramientas de gran ayuda en la compresión y análisis de las señales fisiológicas, además nos guía en cada paso de los experimentos, facilitando nuestro proceso de aprendizaje, de la misma forma en que refuerza nuestra curiosidad científica. Instrumentos como estos han permitido la realización de numerosos estudios de las dinámicas de contracción y relajación de músculos esqueléticos, analizados por medio de las señales eléctricas que este proceso genera y que son detectables en la superficie de la piel o dentro del músculo mismo, estableciendo márgenes de normalidad, caracterizados teniendo en cuenta diferentes variables. Las mediciones que realizamos en una de nuestras compañeras, con las herramientas anteriormente mencionadas, en una primera parte, nos permitió obtener señales fisiológicas producto de la actividad muscular voluntaria en el bíceps braquial y el tríceps braquial; en la segunda parte, observamos la respuesta ante una descarga eléctrica sobre el nervio mediano, que inerva el músculo abductor corto de pulgar.
OBJETIVOS
GENERALES
Registrar correctamente el EMG durante las contracciones voluntarias. Investigar la relación que existe entre el cambio de fuerza y el aumento de la demanda al músculo. Analizar el fenómeno de la coactivación.
Registrar el EMG en respuestas provocadas.
Calcular la velocidad de conducción nerviosa.
ESPECÍFICOS
Conocer las herramientas necesarias para esta práctica. Reconocer los artificios que pueden afectar el correcto análisis de los resultados. Identificar las variaciones en el registro del EMG. Conocer herramientas adicionales (gel abrasivo, toallitas con alcohol) que facilitar la adquisición de las señales en la piel.
Marco Teórico Instrumentación
PowerLab 26T (LTS): Este dispositivo, es un sistema de adquisición de datos y unidad de registro, que amplifica y filtra una señal análoga de voltaje (acondicionamiento de señal). Luego le realiza un muestreo para convertirla a señal digital y finalmente mandarla a la CPU donde es correctamente interpretada por un software. Tiene 4 canales de entrada, que le permiten recibir información de diferentes dispositivos como los transductores. También posee dos canales de salida que permiten realizar estimulación eléctrica nerviosa y muscular. (1) 5 Lead ShieldedBioAmp Cable: este instrumento, nos permite amplificar señales de voltaje obtenidas con los Shielded Lead Wires y transmitirlas al PowerLab para su posterior análisis. Tiene 5 entradas, que permiten tomar dos medidas diferentes pues una de las entradas está destinada a tomar el potencial que será el punto de referencia, dos más para realizar una medición y otras dos para realizar otra. (2) Shielded Lead Wires (5 pk): estos cables, nos permiten transmitir la señal desde los electrodos puestos en el lugar de medición, hacia el 5 Lead ShieldedBioAmp Cable. Son 5 cables que encajan a la perfección en este aparato. El verde se usa para tomar el punto de referencia, luego se emparejan el rojo con el café y el negro con el blanco para poder realizar dos mediciones y tener la posibilidad de ahorrar trabajo y de comparar mediciones realizadas al mismo tiempo . (3) DryEarthStrap:esta correa, nos permite tomar potenciales base usando cables como los de Shielded Lead Wires, conectados a electrodos. Tiene la ventaja de no requerir soluciones que aumenten la conductividad. Se usa para medir biopotenciales y para medir la conducción en un nervio periférico. Se puede usar en extremidades que no sobrepasen los 10 cm de diámetro. (4)
Recording Bar Electrode: este dispositivo permite transmitir potenciales producidos por el PowerLab al cuerpo humano. Es un instrumento que se debe usar con cuidado. Posee discos cóncavos de 0,9 cm espaciados por 3 cm. Permite la estimulación nerviosa periférica. (5) Electrodos Medi-Trace TM serie 200: estos electrodos, son un medio de poco costo para usar en monitoreo de actividades eléctrica. Son pequeños y con esto hacen fácil su localización en el cuerpo humano.
Conceptos En este laboratorio, se mide el potencial eléctrico de un musculo determinado y se compara con otro; además se pretende observar la velocidad de conducción en un nervio. Antes de entrar a analizar los datos y de explicar el procedimiento, es necesario explicar los conceptos de músculo esquelético, fibra muscular esquelética, tejido muscular esquelético, contracción del músculo esquelético, potencial de acción, potencial de membrana y velocidad de conducción en el nervio.
Músculo esquelético: es un órgano compuesto por tejido muscular esquelético que permite el movimiento y en el que se incluye la inervación por el sistema nervioso somático (6). Tejido Muscular estriado esquelético: tejido compuesto por fascículos de células musculares esqueléticas, se distingue además un epimisio que rodea todo el músculo, un perimisio que rodea cada fascículo y un endomisio localizado entre fibras musculares. Estos tejidos permiten la protección y la nutrición de las células musculares esqueléticas (6). Fibra (célula) muscular esquelética: este tipo de fibra se caracteriza por que al observarla en el microscopio óptico en un corte longitudinal se observan estriaciones transversales. En cortes transversales se puede observar que estas fibras son multinucleadas y que a su vez los núcleos solo se encuentran bajo la membrana celular que en este caso se conoce como sarcolema. La característica principal de estas células es su capacidad contráctil; esto se debe a la presencia de proteínas como actina y miosina en el sarcoplasma (citoplasma), y a la organización de estas moléculas. Cada fibra contiene en su interior miofibrillas que a su vez forman sarcómeras, estas son las unidades
Ilustración 1 (10)
básicas del mecanismo de contracción.Bajo el microscopio electrónico, se puede observar la composición del sarcómero: tiene miofilamentos de actina y miofilamentos de miosina, estos se agrupan de forma especial. Los de actina salen de una zona llamada Línea Z y los de miosina de una zona llamada Línea M. La zona donde solamente se encuentran miofilamentos de actina se conoce como banda I y la zona donde se encuentra la miosina se conoce como banda A. Dentro de la banda hay una parte donde hay actina y miosina y otra parte donde solo hay miosina, esta zona se conoce como banda H. El sarcómero por definición corresponde a la zona que hay entre Línea Z y línea Z.Otros componentes importantes de la fibra muscular esquelética, son los túbulos T y el retículo endoplasmático liso que en este tejido se conoce como retículo sarcoplásmico. Los túbulos T son invaginaciones del sarcolema que rodean las miofibrillas y tienen la función de transmitir la despolarización. El retículo, también se agrupa alrededor de las miofibrillas junto al túbulo T, y tiene como función principal almacenar iones calcio (6).
Potencial de membrana: este término se refiere a la diferencia de potencial eléctrico que existe entre el espacio extracelular y el citoplasma a través de una membrana. Esto se debe a que la concentración de iones en el exterior e interior es diferente. El potencial de membrana en un nervio es de 90 milivoltios con polaridad negativa en el citoplasma. En las células musculares es entre 50 y 60 milivoltios (7). Potencial de acción: esta es la forma en la que se transmiten señales nerviosas y en la que se transmite una despolarización en una fibra muscular. Se refiere a cambios en el potencial de membrana generalmente creados a partir de la entrada de sodio a la célula. Consta de 3 fases. En la fase de reposo, la membrana se encuentra polarizada y se encuentra así justo antes de comenzar el potencial de acción. En la fase de despolarización, la polaridad negativa del citoplasma desciende y posteriormente se hace positiva, esto se debe a la entrada de iones sodio. En la fase de re polarización, el potencial se vuelve a hacer negativo debido a la salida de iones potasio. Tanto en las células musculares como en las nerviosas el potencial de acción funciona al todo o al
nada, es decir que si llega a despolarizarse lo hace completamente y viaja por toda la fibra o no lo hace (7).
Co-activación muscular: este término se refiere a la contracción que en una acción pueden tener los músculos antagonistas. El antagonismo muscular se refiere a que hay músculos que ejercen acciones contrarias a otros, por ejemplo el bíceps realiza flexión de la articulación del codo mientras que el tríceps hace extensión, por esta razón son antagonistas. En el fenómeno de co-activación, al realizar una acción se activan ambos músculos para tener una mayor efectividad y estabilidad (8). Contracción del músculo esquelético: la contracción del músculo esquelético tiene como base la concentración de iones calcio en el sarcoplasma y la presencia de las moléculas actina y miosina formando un arreglo especial. Adosadas a la actina, se encuentran dos proteínas: la tropomiosina que rodea a la actina y la troponina que se encuentra cada 40 nm. A su vez, la troponina esta dividida en 3 partes, la troponina C que es receptora de los iones calcio, la troponina I que se une a la actina y la troponina T que se une a la tropomiosina (7). El primer paso para lograr la contracción es la llegada de un impulso nervioso a la fibra muscular, cuando al terminal axónico llega el potencial de acción, se activa un mecanismo que libera las vesículas sinápticas en el lugar de unión neuromuscular. Estas vesículas contienen acetilcolina. En el sarcolema, se encuentran receptores colinérgicos del tipo nicotínico asociados a canales de sodio, que al recibir la acetilcolina, permiten el paso de sodio hacia el sarcoplasma produciendo una despolarización en toda la membrana. Como los túbulos T son invaginaciones del sarcolema, también se despolarizan; allí se encuentran unos receptores de voltaje (receptores de dihidroxipiridina), que a su vez activan receptores de rianodina en el retículo sarcoplasmático circundante, pasando el potencial de acción hacia alli. Esto genera una liberación de iones calcio desde el retículo (7).
Paralelo a esto, cuando el músculo se encuentra en reposo, las cabezas de miosina han escindido una molécula de ATP por lo que han acumulado tensión. Los restos del ATP, ADP y P, no se han separado de la cabeza de miosina. En el momento de la llegada de calcio proveniente del retículo, la troponina C lo
capta, realiza un cambio conformacional en la molécula de tropomiosina y deja libre el espacio para que la miosina se pueda unir a la actina. La miosina puede unirse y a continuación libera la tensión acumulada por la escisión de ATP y arrastra la molécula de actina acortando la sarcómera. Por último libera el ADP y el P y se suelta de la actina (7).
La fibra al recibir la despolarización, se contrae totalmente, por lo que la graduación en la tensión total generada por un músculo, corresponde a la cantidad de fibras que son activadas al momento de la contracción. Si se activan más fibras mayor será la contracción y mayor será el potencial de acción que reporte el músculo.
Electromiograma La electromiografía consiste en medir los potenciales eléctricos generados originados en determinado músculo. Su invención corresponde a Adrian y Bronk (ingleses) y a D.Denny Brown (norteamericano) en la década de los 30. Inicialmente se realizaba con objetivos clínicos y diagnósticos. Posteriormente, al acabar la II Guerra Mundial, se comenzó a realizar para observar el funcionamiento del músculo como órgano. Para entender las mediciones realizadas por esta técnica se debe aclarar el concepto de unidad motora, esta corresponde a las fibras que inerva una única terminal nerviosa. Como dijimos anteriormente, todas las fibras no se contraen al tiempo, esto depende de la tensión que el músculo vaya a ejercer (9). Al usar la electromiografía, se determinó que hay diferentes tipos de fibra, unas de contracción rápida y otras de contracción lenta. El tiempo que dura el potencial de acción en una contracción de unidad motora, puede durar desde 5 a 12 mseg, y la cantidad de potencial reportado en promedio es de 0,5 milivoltios. Hay que aclarar que estos valores dependen de la fuerza o tensión que haga el músculo, para pruebas clínicas, lo que se busca es hacer que el paciente intente hacer la mayor fuerza posible y se valora que tanto potencial de acción se reportó (9).
PROCEDIMIENTO Fase previa. 1.
Previamente, durante una corta discusión, se eligió a nuestra compañera Eleanny del Mar Gutiérrez Peralta para realizar sobre ella los experimentos referidos para esta práctica.
2.
Fue informada previamente del procedimiento que sería realizado sobre ella, al mismo tiempo, recogimos información de posibles patologías musculares o neuronales, a lo cual respondió negativamente.
3.
Se retiraron las pulseras y el reloj de la compañera, al igual que el saco que cubría su brazo y antebrazo.
4.
Marcamos con una X los 2 sitios en el bíceps y el tríceps donde colocaríamos los electrodos de superficie, alineados sobre el eje del brazo y con una separación de 5 cm aproximadamente.
5.
Procedimos a exfoliar las zonas marcadas con el fin de reducir la impedancia existente y obtener una señal eléctrica de calidad, para ello usamos toallitas con alcohol entregadas por el ingeniero previamente.
6.
Colocamos los 4 electrodos en los lugares marcados con X y exfoliados, paso posterior al acoplamiento de estos con las derivaciones del cable Bio-Amp de cinco derivaciones. De igual modo colocamos el cable de tierra acoplado a una correa en la muñeca de su mano derecha.
7.
Encendimos el PowerLab e inicializamos el programa LabTutor, en el experimento de EMG.
Ejercicio 1
Preparación
Se le pidió a nuestra compañera, sentarse en una posición cómoda y relajada. Desde la posición anatómica, colocó su codo en ángulo recto, con el antebrazo pegado a su tronco. En esta posición realizó contracciones de bíceps y tríceps alternadamente, mediante la aplicación de fuerza desde su propia mano izquierda,
con el fin de realizar un primer estimulo sobre los músculos que serían objeto de estudio. Ahora, siguiendo las orientaciones dictadas en el procedimiento, para nuestro primer ejercicio: 1. Con el codo en ángulo recto y la palma hacia arriba, pero esta vez con la mano extendida hacia al frente. 2. Colocamos una serie de pesos referencia (patrones), en este caso usamos 5, 10, 15 y 20 revistas Nature. 3. Por cada peso de referencia, colocamos comentarios y tomamos las mediciones por unos 12 segundos en promedio, antes, durante y después de la colocación de las revistas.
Estos fueron los registros para el 1° ejercicio:
ANÁLISIS Amplitud del EMG (1) Revistas
Amplitud
0
0,01
5
0,02
10
0,03
15
0,06
20
0,09
Amplitud del EMG (2) Revistas
Amplitud
0
0,01
5
0,02
10
0,04
15
0,07
20
0,01
De acuerdo a los datos obtenidos, vemos como la amplitud de la señal eléctrica, medida en mV/s, obtenida del músculo bíceps braquial, aumenta en la medida que se aumenta el número de revistas que colocamos sobre la palma de la mano de nuestra compañera, aclarando que si bien hay un aumento de amplitud máxima, no corresponde proporcionalmente al aumento del peso. Es interesante ver que incluso cuando no había revistas se registraron señales de EMG, debido a que en la posición dada, el bíceps debía soportar el peso del antebrazo. Los datos de la tabla 2, de nuestros compañeros de la mesa 9, nos permite corroborar el hecho de que al aumentar el peso que debe resistir el bíceps, aumenta la amplitud del registro, al parecer hubo un error al pasar el dato de amplitud máxima en su último registro. Es importante señalar que al registrar el dato de amplitud, debe hacerse en la parte señalada con corchetes, pues en las otras dos (recuadros rojos), si bien se registran contracciones, estas no son producto de la fuerza ejercida para sostener el peso de las revistas, sino que corresponde a cierta contracción inconsciente, pues sabemos que nos van a colocar peso, motivo por el cual se registra cierta tensión en el EMG. (Las
imágenes corresponden a los canales de bíceps integrado y datos brutos de bíceps correspondientes al registro con 20 revistas)
Observaciones
Los datos de amplitud, fueron tomados del canal bíceps integrado , el cual nos muestra la señal proveniente del canal de datos brutos de bíceps, pero que ha sido sometida a una rectificación y al cálculo de la integral, con la que se obtiene el área bajo la curva, sin embargo LabTutor solo nos muestra la envolvente de la misma, es decir, su contorno. En este ejercicio se da una contracción isométrica, es decir, la extensión del músculo no se modifica.
Ejercicio 2
Preparación
Se le pidió a nuestra compañera, sentarse en una posición cómoda y relajada. Desde la posición anatómica, colocó su codo en ángulo recto, con el antebrazo pegado a su tronco. En esta posición realizó contracciones de bíceps y tríceps alternadamente, mediante la aplicación de fuerza desde su propia mano izquierda, hacia arriba y hacia abajo, el registro obtenido de este ejercicio fue el objeto de análisis.
Ejercicios 3 y 4
Preparación
Este ejercicio se realiza para estimular el nervio mediano y para registrar la actividad muscular del abductor corto del pulgar. Por lo que el ejercicio ya no es en el brazo, deben retirarse los electrodos que se colocaron allí. Se deben desconectar las derivaciones del canal 2 del cable del Bio Amp y los electrodos correspondientes del tríceps. A continuación se retiran los
electrodos del biceps del voluntario pero no las derivaciones del Bio Amp correspondientes. A continuación, se debe marcar con un bolígrafo dos X sobre la piel del músculo abductor corto del pulgar, en el lugar donde so colocaran los electrodos. Las X deben estar separadas por 2 a 3 cm. Posteriormente, se debe exfoliar la piel en el lugar de las X con el fin de reducir la resistencia eléctrica. Es necesario poner dos nuevos electrodos desechables. Finalmente se colocan los electrodos en los lugares marcados con X y exfoliados previamente. Después de preparar los electrodos para medir la actividad muscular en el abductor corto del pulgar, se deben realizar los procedimientos para preparar la estimulación del nervio mediano. Para esto, se debe conectar el electrodo estimulador de barra a la salida del estimulador aislado en el PowerLab (conector rojo a la salida roja y conector negro a la salida negra). A continuación se debe poner una pequeña cantidad de crema para electrodos en los contactos plateados de la barra estimuladora. Se debe colocar esta misma sobre el nervio mediano a la altura de la muñeca, este nervio atraviesa el túnel del carpo a esta altura. Por último, se debe poner el interruptor del estimulador en la posición ON. Para iniciar el procedimiento, se debe fijar la corriente del impulso a transmitir al nervio, en el cuadro del Estimulador aislado a 8mA. El registro se detiene automáticamente a los 0,05 segundos. Se debe presionar el estimulador con la mano para asegurarse que el nervio reciba el estímulo. Se debe incrementar la intensidad del impulso a 10, 12, 14, 16, 18 y hasta 20 mA. Al acabar se debe retirar el electrodo estimulador. Este ejercicio de estimulación también debe realizarse con el electrodo estimulador en el codo.
ANÁLISIS
EMG provocado (Grupo 3)
Latencia (s) en la muñeca
Latencia (s) en el codo
Distancia (mm)
0,00055
0,00385
200
Velocidad (m/s) 60,6
Al observar el gráfico de nuestros compañeros del grupo 3, podemos observar datos de tiempo, que se verán reflejados en la tabla (del grupo 3 también) como la latencia, que en el Lab Tutor se define como “ el tiempo transcurrido entre el impulso de estímulo de cada bloque de datos y el inicio de la respuesta provocada” . Al hacer dos mediciones, tanto en el codo como en la muñeca, se obtienen dos valores de latencia. Se muestra en la tabla además que la distancia que separa la medida del codo y la de la muñeca es de 20 cm. Podemos ver que la latencia del codo, es mayor que la de la muñeca. En el codo se reportan 0.0385 segundos y en la muñeca 0.00055 segundos. La latencia es mayor en el codo ya que esta separado por más distancia del abductor corto del pulgar que la muñeca, esto hace que el tiempo de respuesta del músculo sea mayor. Se espera que si se hace una tercera medición proximal la latencia será aun mayor pues estará más lejos del punto de inervación. La velocidad de conducción en la fibra es de 60, 6 metros sobre segundo. Esta se obtiene restando la latencia del codo menos la latencia de la muñeca y dividiendo sobre la distancia que los separa que en este caso es de 20 cm. Los valores normales para la velocidad de conducción del nervio en las fibras eferentes que transmiten el impulso para la contracción musculo esquelética, es entre 60 m/s y 100 m/s (7). Los valores de esta medición se encuentran en los valores normales.
EMG provocado (Grupo 4) Latencia (s) en
Latencia (s) en
la muñeca
el codo
0,0008
0,0054
Distancia (mm)
Velocidad (m/s)
230
50,0
En la tabla proporcionada por nuestros compañeros del grupo 4, observamos como estos datos conservan la misma relación, acá la latencia en el codo es mayor que en la muñeca por la misma razón. Hay una diferencia en la distancia, pero puesto que mientras aumenta la distancia y aumenta el tiempo, se espera que la velocidad no cambie. Sin embargo al observar los datos de velocidad de ve como gira entorno a los 50 metros sobre segundo. Esta diferencia con los valores normales y con los valores de la mesa 3, pueden deberse a una mala medición de la distancia que separa al codo y la muñeca, a un error al momento de excitar el nervio mediano o a que cada persona reporta valores diferentes bajo condiciones diferentes.
Observaciones
En estos dos pasos, el software del Lab Tutor en nuestro computador falló, por lo que debimos realizar las mediciones con los compañeros de la mesas 3, 4 y 5. Por esta misma razón en el análisis de estos pasos, no utilizamos gráficos propios Al observar tanta diferencia entre los valores normales de la velocidad de conducción en el nervio y los datos registrados en las mesas 3 y 4 podemos decir que es necesario ser rigurosos a la hora de realizar los procedimientos con el fin de obtener los mejores resultados.
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