Biomecánica de los nervios periféricos y las raíces nerviosas espinales

Mg © Klgo. Diego Bobadilla DuránEquipo Biomecánica

UST

• Es el centro de control de la red de comunicación del cuerpo

1. Siente los cambios en el cuerpo y en el ambiente externo

2. Interpreta estos cambios3. Responde a esta interpretación iniciando una

acción, muscular o glandular• Con fines descriptivos se divide en 2:1. Sistema nervioso central: cerebro y medula espinal2. Sistema nervioso periférico: constituidos por los

nervios

• Nervios perifericos: mecanismos aferentes, desde los receptores de la piel, articulaciones, musculos, tendones, visceras y organos sensitivos

• Eferencias desde el cerebro a musculos y glandulas• Incluye 12 pares de nervios craneales• Cada nervio espinal esta conectado a la medula a

traves de una raiz posterior (dorsal) y una raiz anterior (ventral), las cuales se unen y forman el nervio espinal, en el agujero intervertebral

• Las posteriores son sensitivas y las anteriores motoras

• Los nervios perifericos y raices nerviosas espinales, tienen fibras nerviosas, tejido conjuntivo y estructuras vasculares

• Tienen actividad de tension y compresion

Anatomía y fisiología de los nervios periféricos

Las fibras nerviosas: estructura y función

• La fibra nerviosa es, la formacion elongada (axón) que va del cuerpo de la celula nerviosa junto a su vaina de mielina y las celulas de schwann

• Las fibras sensitivas son aferentes• Las fibras motoras son eferentes• Transmiten impulsos y sirven de conexiones

anatomicas, esta dada por el transporte axonal• Esta transporta proteinas a la periferia• La velocidad de transporte va de 1 a 400 mm x dia

• La mayoria de los axones del SNP son rodeados por capas multiestratificadas segmentadas conocidas como vaina de mielina

• Estas son fibras mielinizadas• Las fibras pequeñas que transmiten dolor son

amielinicas• La vaina se forma por las celulas de schwann• Las porciones mielinicas se llaman nodulos de

Ranvier, unen los segmentos de vainas, el espacio es de 1 a 2 mm

• La vaina aumenta la velocidad de conduccion de los impulsos nerviosos, y aisla y mantiene al axon

• La conduccion en un nervio mielinizado es rapida y es saltatoria y en fibras amielinicas es lenta la relacion es de 2 a 20 um

• Las fibras motoras inervan el musculo esqueletico y las fibras sensitiva (transmiten presion, tacto, frio, calor y la de sencibilidad cinestesica tension muscular y posision articular) son fibras de grandes diametros

• Las fibras sensitivas de dolor difuso y lento (al contrario del dolor inmediato y agudo) son fibras pequeñas

Tejido conectivo intraneural de los nervios perifericos

• Las capas de tejido conjuntivo llamadas:• Endoneuro• Perineuro• Epineuro• Protegen y rodean la fibra• La funcion de proteccion es escencial en la

actividad de elongacion compresion

• El epineuro: es la capa mas externa, se localiza entre los fasciculos y superficialmente en el nervio

• Es una superficie laxa y sirve de almohadilla durante los movimientos del nervio

• Protege de los traumatismos y mantiene el aporte de O2, a traves de los vasos sanguineos epineurales

• La cantidad de este tejido varia en el nervio y en el nivel de este

• Cercanos al hueso y al atravesar la articulacion es mas abundante

• Las raices nerviosas espinales estan desprevistas de epineuro como de perineuro

• Debido a esto es mas suceptible a un traumatismo

• El perineuro: es una vaina laminar que engloba a cada fasciculo.

• Tiene gran fuerza mecanica, y es una barrera bioquimica especifica

• Se puede llenar de liquido hasta una presion de 1000 mm de mercurio (Hg) antes de la ruptura del perineuro

• La función bioquímica aísla químicamente a las fibras nerviosas de su entorno

• Endoneuro: tejido conectivo interno de los fasciculos

• Esta compuesto por fibroblasto y colageno• Tiene una elevada presion del fluido

endoneural, +1.5-0.7 mm Hg comparado del tejido subcutaneo -4.7-0.8 mm Hg y el tejido muscular -2-2 mm Hg

• La elevada presion se ve cuando una incisión en el perineuro produce un proceso de herniacion.

Sistema microvascular de los nervios perifericos

• Consta de redes vasculares en las 3 capas conjuntivas• Debido a que el transporte axonal y el impulso

nervioso dependen del aporte de O2• Tiene una gran capacidad de reserva• Cuando el vaso de nutricion local alcanza el nervio se

divide en rama ascendente y descendente • Estos corren longuitudinalmente y se anastomosan

con el perineuro y endoneuro• En el interior del epineuro las grandes arteriolas y

venulas, con diametro de 50 a 100 um constituye el sistema vascular longitudinal

• Dentro de cada fascículo se forma un plexo capilar orientado longitudinalmente

• El sistema vascular nutre por arterolas de 25 a 150 um de diametro que penetran la membrana perineural

• Se dirigen oblicuamente en el perineuro, gracias a esto se cierra como valvula en caso que se incremente la presion

• Esto da como resultado que el minimo incremento del fluido endoneural reduce el flujo sanguineo

• Este es un sistema de seguridad

Anatomía y fisiología de las raíces nerviosas espinales

• En el desarrollo embriologico de la medula espinal tiene la misma longitud de la columna

• En el organismo desarrollado la medula finaliza a nivel del cono medular, a nivel de L1

• Las raices que salen a nivel sacro y lumbar del agujero intervertebral, abandonan la medula desde la zona toracica inferior

• A esta zona se le denomina cauda equina

• Existen dos tipos diferentes de raices nerviosas, las raices ventrales/motoras y las raices dorsales/sencitivas

• Los cuerpos celulares de los axones motores estan localizados en el asta anterior de la sustancia gris de la medula

• los axones sensitivos (aferentes) y alcanzan la medula espinal en su region dorsal.

• Los cuerpos celulares de los axones sensitivos estan localizados en una prominencia de la parte mas caudal de cada raiz nerviosa dorsal, llamado ganglio de la raiz dorsal

• Estan situados cerca del agujero intervertebral• No estan rodeados de las meninges y del liquido

cefaloraquideo• Esta cubierta por un tejido conectivo similar al perineuro

de los nervios perifericos, llamado epineuro

• Cuando la raiz nerviosa se aproxima al agujero intervertebral (la envuelta de la raiz engloba el tejido neural de forma mas tensa), el espacio subaranoideo y la cantidad de liquido cefalorraquideo que rodea cada pareja de raices se reducira gradualmente en direccion caudal

• La lesion compresiva de la raiz puede inducir un incremento en la permeabilidad de los capilares endoneurales, provoca formacion de edema

• Esto puede conllevar un incremento del fluido intraneural y el consecuente deterioro del transporte nutricional del nervio

Anatomia microscopica de las raices nerviosas

• Existen 2 regiones diferentes• La mas intima a la medula espinal es un segmento

glial central compuesto por celulas de la glia, y por tanto tiene una organización microscopica que se asemeja a las estructuras nerviosas centrales de la medula espinal o el cerebro

• Este segmento glial se transfiere a un segmento no glial mediante una union (en forma de cupula) a varios milimetros de la medula espinal

• Este segmento no glial se organiza del mismo modo que el endoneuro de los nervios perifericos, es decir, las celulas de schwann en lugar de celulas gliales

• Sin embargo algunas pequeñas isletas de las celulas gliales tambien se encuentra en este, de otro modo, endoneuro organizado perifericamente

Capas membranosas de las raices nerviosas espinales

• Los axones en el endoneuro estan separados del liquido cefalorraquideo por una fina capa de tejido conectivo llamada membrana de la raiz

• Esta estructura es analoga ala piamadre que rodea a la medula espinal

• Varian de 2-5 hasta 12 capas• Las celulas de la capa externa mas proximas son

similares a las celulas de la piamadre medular y las celulas distales son mas similares a la aracnoide de la duramadre espinal

• Las capas internas de la membrana de la raiz se componen de celulas que se asemejan a la del epineuro de los nervios perifericos

• Esta constituye una barrera de difucion entre el endoneuro y el liquido cefalorraquideo

• La dura madre espinal encierra las raices nerviosas y al liquido cefalorraquideo

• La capa externa cuando ingresa al canal espinal se solidarizan con la parte periostica de las laminas de las vertebras cervicales

• La capa interna se une a la aracnoides y alcanza la duramadre espinal

• Esta capa entre la aracnoides y la duramadre se llama neurotelio

• Del mismo modo que la capa interna de la vaina de la raiz, este neurotelio se asimila al perineuro de los nervios perifericos

• Se cree que estas 2 capas forman el perineuro cuando la raiz nerviosa se transforma en nervio periferico a su salida de la medula espinal

El sistema microvascular de las raices nerviosas espinales

• Las arterias segmentarias se dividen en 3 ramas cuando se aproximan al agujero intervertebral

1. Rama anterior que irriga la pared abdominal posterior y el plexo lumbar

2. Rama posterior que irriga los musculos paravertebrales y las articulaciones fascetarias

3. Rama intermedia que irriga el contenido del canal espinal

• Una rama de la rama intermedia se une a la raiz nerviosa a nivel del ganglio raiz dorsal

• Hay 3 ramas que surgen de este vaso• Una a la raiz ventral, otra a la raiz dorsal y una

a la vasa corona de la medula espinal• La vasa corona tambien se conoce como

arterias medulares, son inconsistentes solo 7 a 8 de las 128 que existen en el periodo embrionario permanecen

• Las arteias medulares transcurren paralelas a las raices nerviosas

• La vascularizacion de las raices nervioasas es llevado a cabo distalmente por ramas de la rama intermedia de la arteria segmentaria y por ramas de la vaso corona

• Este se denomina sistema intrinseco de la cauda equina

• La rama distal de la raiz dorsal forma en primer lugar el plexo ganglionar dentro del ganglio de la raiz dorsal

• Debido a que hay vasos que llegan desde distal y de proximal las raices nerviosas estan irrigadas por dos sistemas vasculares separados

• Estos 2 se anastomosan en los 2/3 de longitud de la raiz nerviosa medular

• Esta es la zona vulnerable de la raiz nerviosa• Las arterias del sistema intrinsico envia ramas hacia

las partes mas internas del tejido nervioso en forma de T

• Para compensar la elongacion de la raiz las arterias se disponen en espiral tanto longitudinal como perpendicular

• A diferencia de los nervios perifericos las venulas no transcurren junto a la arteria

• Sino que sigue un curso espiral en la parte profunda del nervio

• Hay una barrera de capilares endoneurales en los nervios perifericos llamada barrera hematonerviosa

• Es similar a la hematoencefalica del SNC• Se a cuestionado la existencia de esta a nivel de las

raices nerviosas, o no esta tan desarrollada como en los nervios perifericos, lo cual implica que pueda formarce edema mas facilmente

Comportamiento Biomecánico de los nervios periféricos

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• Un traumatismo externo sobre las extremidades y un atrapamiento nervioso puede producir deformación mecánica de los nervios periféricos

• Los mecanismos de lesión son en estiramiento y compresión

Lesiones por estiramiento (tensiles) de los nervios periféricos

• Tienen considerable fuerza tensil• El nervio mediano soporta 70 a 220 N• El nervio cubital 60 a 150 N• Aunque el daño del tejido es mucho antes de la

rotura del nervio• No es un material isotrópico homogéneo, son

estructuras compuestas • El epineuro y perineuro son estructuras

longitudinales

• la curva solicitacion-deformacion, elongación muestra una relación lineal característica de un elástico

• Cuando se alcanza el limite de la zona lineal, la fibra nerviosa empieza a romperse dentro de los tubos endoneurales y el perineuro permanece intacto

• La ruptura de las membranas perineurales se produce aprox. Al 25 al 30% de elongación

• Luego de esto se comporta como material plástico• En el nervio normal el limite elástico es de 20% de

deformación y 25 a 30% existe un colapso estructural completo

• Estas lesiones son por accidentes severos• Se puede generar una perdida funcional parcial o

total• Sensitivo o motor• Depende del daño tisular• La unión de dos cabos de un nervio por tensión

moderada, requiere aplicación de tensión para aproximar y unir de nuevo

• Esto estira y angula los vasos que lo irrigan, esto reduce el área de sección cruzada fascicular transversa y afectar al flujo nutritivo capilar intraneural

• A medida que el nervio saturado se estira , el perineuro se tensa, el fluido endoneural se incrementa y los capilares se obliteran

• Estudios en conejos muestran que una deformación del 8% altera el flujo venoso

• Una deformación del 15% provoca un cese de la vascularización

• Una elongación del 6% provoca una disminución del potencial nervioso, 70% en una hora

• 12% se bloque totalmente por una hora

Lesión por compresión de los nervios periféricos

• Provoca síntomas como entumecimiento, dolor, debilidad muscular, etc.

• Solo la leve compresión produce cambios estructurales y funcionales

• Los factores a considerar son el nivel de presión y el modo de compresión

Niveles críticos de presión

• Existen cambios a nivel sanguíneo y de conducción en el transporte axonal, la duración también influye en estos daños

• A 30 mm Hg de compresión puede producir cambios en la viabilidad durante una compresión prolongada de 4 a 6 horas

• Este cambio es producto de la disfunción del flujo sanguíneo

• En pacientes con túnel carpiano se registro una presión de 38 mm Hg promedio y en grupo control de 2 mm Hg

• Una compresión mantenida e intermitente con niveles bajos (30-80 mm Hg) produce edema intraneural, esto además podría producir cicatriz fibrotica

• La presión de 30 mm Hg además produce cambio a nivel del transporte axonal y una compresión mantenida conlleva a la disminución de proteínas transportadas por el axón en sentido distal a la zona que soporta la presión

• Esto produce una compresión local (pelliscamiento) y puede generar compresión distal

• Esto se llama síndrome del doble impacto

• La presión mas elevada 80 mm Hg causan cese completo del flujo sanguíneo intraneural; el nervio del segmento comprimido localmente sufre una isquemia completa

• Esto se puede recuperar rápidamente incluso después de 2 horas de compresión

• Mayor nivel de compresión puede generar un daño estructural de la fibra nerviosa y un rápido deterioro de la función

• con una recuperación incompleta, incluso en periodos cortos

Modo de aplicación de la presión

• El modo de compresión aplicado tiene gran importancia• Una carga de 400 mm Hg sobre un nervio por medio de

un manguito inflable alrededor del nervio crea incluso una lesión mas severa que una compresión de 1000 mm Hg de un torniquete aplicado en la extremidad

• La compresión directa causa un daño mas severo, la indirecta tiene un mecanismo de amortiguación.

• Entonces se ve que la presión hidrostática en el centro del segmento nervioso no es directamente proporcional a la compresión

Aspectos mecánicos de la compresión nerviosa

• En un experimento de compresión por torniquete en el nervio peroneo de mandriles demuestran:

• Los nódulos de ranvier se desplazan hacia las zonas no comprimidas del nervio

• Las fibras situadas en el centro del segmento comprimido, donde se localiza la mayor presión hidrostática no se alteran de manera intensa

• Se ven mas afectadas las de gran diámetro• Los vasos intraneurales se lesionan en los

extremos de los segmentos comprimidos

• Existen dos tipos básicos de aplicación de la presión, marcos experimentales y patológica

• La aplicación de un torniquete neumático, se asemeja a una compresión del nervio mediano en el túnel carpiano, dando un síndrome característico

• También una compresión lateral por dos superficies

• La compresión por torniquete genera una disminución del diámetro

• genera un desplazamiento desde el centro hasta el máximo en el extremo del torniquete

• La compresión lateral no produce un desplazamiento del material

• Esta sufre una deformación de la sección transversal• Esto genera una extensión del nervio de punto G a

G’ • Y de punto A A’ indica el acortamiento o

compresión• A esto se le asocia un daño en la membrana• Pasa de circular a forma elíptica• Esto altera la permeabilidad y la conducción

eléctrica de la membrana•

Duración de la presión frente a un nivel de presión

• El tiempo es un factor significativo tanto en bajas como n altas compresiones

• La isquemia juega un papel dominante en las compresiones de larga duración

• Una compresión de 30 mm Hg de 2 a 4 horas produce cambios reversibles, en mucho mas tiempo genera cambios irreversibles

• Una lesión de 400 mm Hg genera mucho mas daño en 2 horas que en 15’

• Esto nos indica que la presión elevada tiene que actuar en un periodo de tiempo para dañar

• Esto nos da información de las propiedades vicoelasticas

Comportamiento Biomecánico de las raíces nerviosas espinales

• Las raíces nerviosas en la duramadre carecen de epineuro y perineuro, pero exhiben elasticidad y fuerza tensil

• La carga máxima es de 2 y 22 N para las raíces nerviosas espinales ventrales de la duramadre espinal

• Y de las raíces nerviosas dorsales de la duramadre esta de 5 y 33 N

• La longitud de la raíces nerviosas desde la medula al agujero intervertebral es de 60 mm a nivel de L1 a 170 mm a nivel de S1

• La máxima carga a nivel de S1 es de 13 N y a nivel de la porción del agujero es de 73 N

• En L5 es de 16 a 71 N• El área de sección transversal de la raíz nerviosa a nivel del

agujero es mayor• La deformación tensil máxima es de 13 a 19% a nivel L5-S1

• Estas raíces no son elásticas• Pero tienen la capacidad de movimiento como

deslizar• La irritación crónica con fibrosis en

alteraciones como la hernia o estenosis afecta la capacidad de deslizamiento

• El movimiento de las raíces solo fue medido en cadáveres y la elevación de la pierna extendida movía las raíces nerviosas, aprox de 2 a 5 mm, a nivel de los agujeros intervertebrales

Compresión experimental de las raíces nerviosas espinales

• Experimentos en la compresión de la cauda equina en cerdos• Permitió observar el flujo sanguíneo a varios niveles de presión• La presión la aumentaban 5 mm Hg cada 20 minutos• La presión de oclusión media de las arteriolas fue ligeramente

inferior y directamente proporcional a la presión sistólica • El flujo de la red de capilares estaba íntimamente ligado a flujo de

las vénulas• El estasis vénula produce estasis capilar• De 5 a 10 mm Hg son necesarios para generar oclusión de las

vénulas

• Además se genero una compresión gradual, tras una compresión aguda inicial

• La presión media para reiniciar el flujo sanguíneo era ligeramente inferior en la descompresión que en la compresión

• Pero no se restauraría todo hasta 5 o 0 mm Hg• El aporte nutricional se vería disminuido en 20 a 30% • No disminuye totalmente gracias al aporte por

difusión del liquido cerebroespinal• La compresión genera edema intraneural• Esto disminuye el aporte nutricional a la raíz• El edema se sitúa en los extremos de la compresión y

aparece a bajas cargas

• 2 horas de compresión genera una reducción de la amplitud entre 50 75 mm Hg

• Los niveles elevados 100-200 mm Hg pueden inducir un bloque total de la conducción

• Las raíces sensitivas son mas susceptibles a los cambios que la raíz motora

Tasa de establecimiento de la compresión

• Es el tiempo desde el comienzo hasta la compresión completa

• Varia de segundos en condición traumática a años en procesos degenerativos

• El proceso de establecimiento rápido de la compresión genera

• Formación pronunciada de edema, transporte de metil-glucosa y propagación del impulso de la tasa de establecimiento lento

• Una compresión rápida de 1’’ a 600 mm Hg genero una perdida de la conducción por 2 horas

• Esto puede generar cambios en los vasos y en la conducción

• Además esto nos da la generación de edema

Múltiples niveles de compresión de las raíces nerviosas vertebrales

• Tienen síntomas mas pronunciados• Se alteraron en el mismo modelo 2 zonas de

compresión con separación de 10 mm• Existió una alteración mucho mas profunda en

la conducción• Una compresión de 10 mm Hg en los dos

sectores reducía un 60% la amplitud del impulso nervioso durante 2 horas, y en un solo sector a 50 mm Hg no mostraba cambios

• A diferencia de los nervios periféricos, en las raíces vertebrales no existen arterias nutricias regionales

• La compresión a los dos niveles genera alteración nutricional a los 2 niveles

• Reduce 64% del flujo sanguíneo, producía isquemia sistémica, a los 10 mm Hg

• La conducción aumentaba con la presión

Compresión crónica de la raíz nerviosa en los modelos experimentales

• Experimento en cauda equina de perros• Se genero una compresión con banda plástica por 25, 50

o 75%, de reducción de la sección transversal• Esto mostro cambios estructurales y funcionales• Mas tarde otro grupo de investigadores utilizaron esto en

cerdos• Se utilizo un constrictor que generaba oclusión vascular• Después de 2 semanas dio una reducción significante de

la conducción y lesión axonal, aumento de la sustancia P