Los humanos no tienen paralelo en el reino animal en destreza manual. Usamos herramientas, sujetamos bolígrafos, enhebramos agujas y más, sin pensar en los desafíos que enfrenta el sistema nervioso cuando aplica fuerzas con precisión con la punta de los dedos. Un equipo de investigadores se dispuso a encontrar lo que se necesita para agarrar con la punta de los dedos, lo cual es crucial para la destreza de la mano humana. Publicados hoy en Proceedings of the National Academy of Sciences , los resultados brindan una nueva comprensión sobre el control neural y la evolución de la mano humana, y formas potencialmente nuevas de ayudar a las personas con discapacidades.

Dirigidos por Madhusudhan Venkadesan, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales , los investigadores observaron la estabilidad de los dedos al aplicar fuerza con la punta. Específicamente, estudiaron lo que se conoce como «agarre de precisión», en el que el dedo índice está en una postura flexionada, como cuando se enhebra una aguja o se manipula un objeto fino. El problema con este estilo de agarre es que el dedo tiene una tendencia natural a doblarse repentinamente, una especie de movimiento rápido de las articulaciones. Mantener un agarre estable, sin ningún tipo de dedo torcido, es fundamental para recoger cosas y otras tareas cotidianas. Entonces, ¿qué impide que nuestros dedos se doblen todo el tiempo?

«Un resultado clásico de la mecánica predice que una cadena de varillas conectadas con articulaciones, llamadas enlaces mecánicos, se doblarán cuando se compriman», dijo Neelima Sharma, autora principal, exestudiante de doctorado en el laboratorio de Venkadesan y ahora becaria postdoctoral. en la Universidad de Chicago. «Esto es como un cable delgado que se doblaría si intentaras apretarlo a lo largo. Los dedos también son como estos enlaces y las fuerzas en las puntas de los dedos tendrían el efecto de hacer que el dedo se doble». Para averiguar qué tan rápido se doblan nuestros dedos, realizaron un experimento en el que pidieron a las personas que empujaran con la punta de sus dedos índices flexionados tan fuerte como pudieran sobre una superficie plana. El dedo permaneció estable la mayor parte del tiempo, pero ocasionalmente se rompió y se dobló. Los investigadores querían saber cuánto representan nuestros reflejos para mantener la estabilidad. Probablemente no mucho, decidieron después de cronometrar la acción de pandeo.

«Todo el movimiento de chasquido es increíblemente rápido, en su mayoría menos de 50 milisegundos», dijo Venkadesan. Por lo general, toma alrededor de esa cantidad de tiempo para que una señal nerviosa de la yema del dedo llegue a la médula espinal y regrese. «Así que apenas es tiempo suficiente, y probablemente no lo suficiente, para una respuesta refleja estabilizadora».

Si no son reflejos neurales, ¿qué podría ser responsable de mantener estables nuestros dedos? Los investigadores pensaron que la acción de resorte de nuestros músculos podría ser la responsable. Pero un modelo matemático que desarrollaron para el dedo predijo que el uso de músculos para proporcionar rigidez tendría el costo de una fuerza reducida. Así que llevaron a cabo otra serie de experimentos en los que aplicaron rigidez externa fijando una férula en las articulaciones de los dedos, dejando que los músculos se concentraran en la fuerza y ​​no en la estabilidad.

«Cuando añadimos una férula, todo el mundo estaba más fuerte», dijo Venkadesan, un 30 por ciento más fuerte en promedio. Aún más interesante para los investigadores fue cómo estas ganancias variaban entre los sujetos. «Queríamos entender por qué es diferente de persona a persona. Y lo que ves es que las personas que reducen más su co-contracción pueden producir más fuerza». La co-contracción es la contracción simultánea de múltiples músculos que nos ayuda a aumentar la rigidez, como tensar el cuerpo contrayendo muchos músculos.

Llegaron a la conclusión de que las habilidades motoras del agarre de precisión provienen de un compromiso entre la estabilidad, la fuerza y ​​la flexibilidad de los dedos, lo que requiere un control neural cuidadoso de múltiples músculos. Al agarrar, los músculos a ambos lados de las articulaciones de los dedos se contraen para estabilizar las articulaciones, pero reducen la fuerza y ​​la flexibilidad de los dedos.

Venkadesan compara los dedos, la mano y el brazo con una marioneta, cuyos hilos son los músculos y los tendones. «Su sistema neuronal debe tener cuidado en la forma en que orquesta todos estos músculos para operar esta marioneta y mantenerla estable», dijo. «Una vez que se aprende eso, el acto de estabilización ocurre debido a la mecánica del sistema».

Y al modelar matemáticamente esta mecánica, los investigadores pudieron determinar que no son exclusivos de los dedos. «Es un problema más general que se aplica a cualquier parte del cuerpo de enlaces múltiples: piernas enteras, cuerpo entero», dijo. «Alguna versión de esta compensación de tres vías: estabilidad, fuerza y ​​​​flexibilidad, se aplica inevitablemente».

Además de abrir vías para el tratamiento de lesiones y la construcción de prótesis, esta ventana al funcionamiento de las manos y otras extremidades ofrece algunas direcciones para explorar en términos de la evolución humana temprana. «¿Algunas morfologías de la mano son mejores que otras para manejar la compensación? ¿Cómo se comparan las manos de nuestros primeros ancestros bípedos, de hace unos 3 a 4 millones de años, con la mano humana moderna? Hay toda una serie de preguntas abiertas para seguir. «