El experimento mental

En un estudio notable, una mujer paralítica usó su mente para controlar un brazo robótico. Si tan solo hubiera una forma realista de sacar esta tecnología del laboratorio y llevarla a la vida real. Por

• Antonio Regalado página de archivo

17 de junio de 2014

Llegué unos 15 minutos tarde a mi primera llamada telefónica con Jan Scheuermann. Cuando traté de disculparme por hacerla esperar, me detuvo. No solo estaba sentada esperando por ti, ya sabes, dijo, antes de contenerse. Bueno, en realidad yo era sentados alrededor.

Scheuermann, de 54 años, ha estado paralizado durante 14 años. Ella había estado viviendo en California y dirigiendo un negocio a tiempo parcial organizando cenas de teatro misterioso, donde los invitados representaban papeles que ella inventaba para ellos. Perfectamente sano, casado y con dos hijos, dice. Una noche, durante una cena que había organizado, sintió como si sus piernas se arrastraran detrás de ella. Lo atribuí a que era una noche fría y nevada, pero había un par de pasos en la casa, y vaya, realmente estaba teniendo problemas, dice ella.

Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2014

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Siguieron meses angustiosos de visitas al médico y diagnósticos erróneos. Un neurólogo dijo que tenía esclerosis múltiple. Para entonces, estaba usando una silla de ruedas eléctrica y se desvanecía rápidamente. Ella pensó que se estaba muriendo, por lo que se mudó a su casa en Pittsburgh, donde su familia podría cuidar a sus hijos. Finalmente, le diagnosticaron una rara enfermedad llamada degeneración espinocerebelosa. Puede sentir su cuerpo, pero los nervios que transmiten señales desde su cerebro ya no funcionan. Su cerebro dice Move, pero sus extremidades no pueden oír.

Hace dos años y medio, los médicos colocaron dos puertos en el cráneo de Scheuermann (ella los llama Lewis y Clark). Los puertos permiten a los investigadores insertar cables que se conectan con dos implantes del tamaño de una chincheta en la corteza motora de su cerebro. Dos o tres veces por semana, se une a un equipo de científicos de la Universidad de Pittsburgh y está conectada a un brazo robótico que controla con su mente. Ella lo usa para mover bloques, apilar conos, chocar los cinco y posar para imágenes tontas, haciendo cosas como fingir que noquea a uno o dos investigadores. Ella llama al brazo Héctor.

Scheuermann, quien dice que en sus sueños no está discapacitada, se sometió a una cirugía cerebral en 2012 después de ver un video de otro paciente paralítico controlando un brazo robótico con sus pensamientos. Inmediatamente solicitó unirse al estudio. Durante la cirugía, los médicos utilizaron una pistola de aire comprimido para disparar dos lechos diminutos de agujas de silicona, llamados Utah Electrode Array, hacia su corteza motora, la delgada franja de cerebro que va desde la parte superior de la cabeza hasta las mandíbulas y controla el movimiento voluntario. . Se despertó de la cirugía con un fuerte dolor de cabeza y el peor de los casos de arrepentimiento del comprador. No podía creer que se hubiera sometido a una cirugía cerebral voluntaria. Yo pensé, Por favor, Dios, no dejes que esto sea en vano. Mi mayor temor era que no funcionara, dice. Pero en unos días, estaba controlando el brazo robótico y con un éxito inesperado: estaba moviendo algo en mi entorno por primera vez en años. Fue emocionante y provocador. Los investigadores tampoco pudieron borrar la sonrisa de sus rostros durante semanas.

Jan Scheuermann apila conos con un brazo robótico controlado por la mente mientras el asistente de investigación Brian Wodlinger observa su trabajo.

Scheuermann es uno de los aproximadamente 15 a 20 pacientes paralizados que se han unido a estudios a largo plazo de implantes que pueden transmitir información desde el cerebro a una computadora. Ella es la primera asignatura en Pittsburgh. Otros nueve, incluidas personas en las etapas avanzadas de ELA, se han sometido a pruebas similares en un estudio estrechamente relacionado, llamado BrainGate. Otros cuatro pacientes encerrados, incapaces de moverse o hablar, han recuperado cierta capacidad de comunicación gracias a un tipo diferente de electrodo desarrollado por una empresa de Georgia llamada Neural Signals.

Un tercio de estos pacientes se han sometido a cirugía desde 2011, cuando la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. Dijo que flexibilizaría las reglas para probar tecnologías verdaderamente pioneras, como las interfaces cerebro-máquina. Se están realizando más experimentos humanos. Uno, en Caltech, quiere darle a un paciente control autónomo sobre el sistema operativo de la tableta Android de Google. Un equipo de la Universidad Estatal de Ohio, en colaboración con la organización de I + D Battelle, colocó un implante en un paciente en abril con la intención de utilizar las señales cerebrales del paciente para controlar los estimuladores conectados a su brazo. Battelle describe la idea como reanimar una extremidad paralizada bajo el control voluntario de los pensamientos del participante.

Estos nerviosos y novedosos estudios se basan en el hecho de que el registro de la actividad eléctrica de unas pocas docenas de células en el cerebro puede dar una imagen bastante precisa de dónde una persona tiene la intención de mover una extremidad. Estamos tecnológicamente limitados a tomar muestras de un par de cientos de neuronas, de miles de millones en su cerebro, por lo que es realmente sorprendente que puedan obtener una señal, dice Kip Ludwig, director del programa de ingeniería neuronal del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares. .

La tecnología que se utiliza en Pittsburgh se desarrolló en laboratorios de fisiología para estudiar animales, y es evidente que todavía es experimental. Los cables empaquetados van desde el cráneo de Scheuermann hasta un voluminoso bastidor de procesadores de señal, amplificadores y computadoras. El brazo robótico de nueve libras, pagado por los militares, tiene una mano y dedos diestros que pueden hacer movimientos reales, pero es quisquilloso, se rompe con frecuencia y es algo peligroso. Cuando las cosas no funcionan, los estudiantes de posgrado buscan entre enredos de cables conexiones sueltas.

John Donoghue, el neurocientífico de la Universidad de Brown que dirige el estudio BrainGate de mayor duración, compara las interfaces cerebro-máquina actuales con los primeros marcapasos. Esos primeros modelos también presentaban carros de electrónica, con cables perforados a través de la piel hasta el corazón. Algunos fueron accionados manualmente. Cuando no sabes lo que está pasando, mantienes tanto como sea posible en el exterior y lo menos posible en el interior, dice Donoghue. Hoy, sin embargo, los marcapasos son autónomos, funcionan con una batería de larga duración y se instalan en el consultorio de un médico. Donoghue dice que las interfaces cerebro-máquina están al comienzo de una trayectoria similar.

Para que las computadoras controladas por el cerebro se conviertan en un producto médico, tiene que haber una razón económica y los riesgos deben compensarse con la recompensa. Hasta ahora, el caso de Scheuermann se ha acercado más a demostrar que se pueden cumplir estas condiciones. En 2013, el equipo de Pittsburgh informó sobre su trabajo con Scheuermann en la revista médica The Lanceta . Después de dos semanas, informaron, podía mover el brazo del robot en tres dimensiones. En unos meses, pudo hacer siete movimientos, incluido girar la mano de Héctor y mover el pulgar. En un momento, fue filmada dándose un bocado de una barra de chocolate, un objetivo que se había fijado.

Los investigadores intentaron demostrar que estaban cerca de algo práctico: ayudar con las llamadas tareas de la vida diaria que la mayoría de la gente da por sentado, como cepillarse los dientes. Durante el estudio, se examinaron las habilidades de Scheuermann utilizando la prueba del brazo de investigación en acción, el mismo juego de bloques de madera, canicas y vasos que usan los médicos para evaluar la destreza de las manos en personas con lesiones recientes. Obtuvo 17 de 57, o casi tan bien como alguien con un derrame cerebral severo. Sin Héctor, Scheuermann habría marcado cero. Los hallazgos hechos 60 minutos .

Al principio fue éxito, éxito, éxito, pero Scheuermann dice que nadie le dijo que el implante podría dejar de funcionar. Gradualmente, está grabando desde menos neuronas. Su control sobre el brazo del robot se está debilitando.

Sin embargo, desde que desaparecieron las cámaras de televisión, algunas de las deficiencias de la tecnología se han hecho evidentes. Al principio, Scheuermann siguió demostrando nuevas habilidades. Fue éxito, éxito, éxito, dice ella. Pero controlar a Héctor se ha vuelto más difícil. La razón es que los implantes, con el tiempo, dejan de grabar. El cerebro es un entorno hostil para la electrónica, y los pequeños movimientos de la matriz también pueden acumular tejido cicatricial. El efecto es bien conocido por los investigadores y se ha observado cientos de veces en animales. Una a una, se pueden detectar menos neuronas.

Scheuermann dice que nadie le dijo. El equipo dijo que esperaban la pérdida de señales neuronales en algún momento. No lo estaba, así que me sorprendió, dice. Ahora controla rutinariamente el robot en solo tres a cinco dimensiones, y gradualmente ha perdido la capacidad de abrir y cerrar el pulgar y los dedos. ¿Se parecía en algo a su experiencia de quedar paralizada? Le hice la pregunta unos días después por correo electrónico. Ella respondió en un mensaje escrito por un asistente que se queda con ella la mayoría de los días: Me decepcionó que probablemente nunca lo haría mejor de lo que ya lo había hecho, pero lo acepté sin enojo ni amargura.

resucitación

El investigador que planeó el experimento de Pittsburgh es Andrew Schwartz, un delgado Minnesotan cuyo laboratorio ocupa un piso iluminado por el sol dominado por tres torres de equipo de metal gris que se utilizan para monitorear monos en suites adyacentes. Vistas en televisores de circuito cerrado, las escenas del interior de las salas experimentales desafían toda creencia. En una pantalla, una rueda de metal gira repetidamente, cambiando la posición de un mango de color naranja brillante. Después de cada revolución, una mano robótica de gran tamaño se extiende desde el borde de la pantalla para agarrar el asa. En medio de la maquinaria giratoria, es fácil pasar por alto la cara gris y rosada del mono rhesus que está controlando todo esto desde un cable en su cabeza.

Utah Electrode Array, inventado en la década de 1990, tiene 96 agujas de silicio que registran los impulsos eléctricos de las neuronas dentro del cerebro.

La tecnología tiene sus raíces en la década de 1920, con el descubrimiento de que las neuronas transmiten información a través de picos eléctricos que se pueden registrar con un alambre de metal delgado o electrodo. En 1969, un investigador llamado Eberhard Fetz había conectado una sola neurona en el cerebro de un mono a un dial que el animal podía ver. Descubrió que el mono aprendió a hacer que la neurona se disparara más rápido para mover el dial y obtener una recompensa de una pastilla con sabor a plátano. Aunque Fetz no se dio cuenta en ese momento, había creado la primera interfaz cerebro-máquina.

Schwartz ayudó a extender ese descubrimiento hace 30 años cuando los fisiólogos comenzaron a registrar muchas neuronas en animales vivos. Descubrieron que aunque toda la corteza motora estalla en un estallido de señales eléctricas cuando un animal se mueve, una sola neurona tenderá a dispararse más rápido en relación con ciertos movimientos, por ejemplo, mover el brazo hacia la izquierda o hacia arriba, o doblar el codo, pero menos rápidamente de lo contrario. Registre a partir de suficientes neuronas y podrá tener una idea aproximada de qué movimiento está haciendo una persona, o simplemente pretendiendo hacerlo. Es como una encuesta política, y cuantas más neuronas encuesta, mejor es el resultado, dice.

Los 192 electrodos de los dos implantes de Scheuermann han registrado más de 270 neuronas a la vez, que es la mayor cantidad jamás medida de forma simultánea en el cerebro de un ser humano. Schwartz dice que esta es la razón por la que su control sobre el robot ha sido tan bueno.

Las señales neuronales son interpretadas por un software llamado decodificador. A lo largo de los años, los científicos construyeron cada vez mejores decodificadores y probaron esquemas de control más ambiciosos. En 1999, el neurocientífico de la Universidad de Duke Miguel Nicolelis entrenó a una rata para que balanceara un voladizo con su mente para obtener una recompensa. Tres años más tarde, Donoghue tenía un mono moviendo un cursor en dos dimensiones a través de una pantalla de computadora, y en 2004 su equipo BrainGate había llevado a cabo la primera prueba humana a largo plazo de la matriz de Utah, mostrando que incluso alguien cuyas extremidades habían estado paralizadas por años podían controlar mentalmente un cursor. En 2008, Schwartz tenía un mono agarrando y alimentándose con un malvavisco con una mano robótica.

Algunas personas paralizadas están comenzando a considerar la electrónica como su mejor oportunidad de recuperación. ¡Me lo llevo! ¡Córtame el brazo muerto y dame uno robótico con el que pueda SENTIR, por favor! escribió uno.

Scheuermann ha podido intentar rápidamente muchas tareas nuevas. Se le ha pedido que controle dos brazos robóticos a la vez y que levante una caja (solo lo logré una o dos veces, dice). Algunos resultados son extraños: Scheuermann puede cerrar los dedos de Héctor alrededor de un cono de plástico, pero a menudo solo si cierra los ojos primero. ¿La presencia del cono se refleja de alguna manera en los patrones de disparo de las neuronas? Schwartz ha pasado meses tratando de resolverlo. Detrás de estos puntos de incertidumbre pueden encontrarse importantes descubrimientos sobre cómo el cerebro prepara y ejecuta acciones.

Scheuermann una vez hizo que su ayudante la vistiera con bigotes de rata adhesivos y una cola peluda para saludar a los investigadores. Fue una forma de humor oscuro de reconocer que estos experimentos dependen de voluntarios humanos. No son tan difíciles de entrenar como estos tipos, dice Schwartz, señalando con el pulgar la hilera de salas de monos.

Estos voluntarios están atrapados; algunos de ellos esperan desesperadamente que la ciencia pueda proporcionar un escape. Siendo realistas, eso es poco probable en sus vidas. El primer voluntario de BrainGate fue un joven de 25 años llamado Matt Nagle, que había respirado a través de un ventilador desde que le cortaron la médula espinal durante una pelea con cuchillos. Pudo mover un cursor en una pantalla en 2004. Pero Nagle también quería suicidarse y trató de que otros lo ayudaran a hacerlo, según El hombre del cerebro biónico , un libro escrito por su médico. Murió de una infección en 2007. En los foros de chat en línea donde las personas paralizadas intercambian noticias esperanzadoras sobre posibles curas, como las células madre, algunos descartan las interfaces cerebro-máquina como extravagantes. Otros están empezando a pensar que es su mejor oportunidad. ¡Me lo llevo! ¡Córtame el brazo muerto y dame uno robótico con el que pueda SENTIR, por favor! escribió uno.

Schwartz dice que espera generar sensaciones físicas del brazo robótico este año, si puede encontrar otro voluntario tetrapléjico. Al igual que Scheuermann, el próximo paciente recibirá dos matrices en la corteza motora para controlar el brazo robótico. Pero Schwartz dice que los cirujanos colocarán dos implantes adicionales en la corteza sensorial del voluntario; estos recibirán señales de sensores de presión conectados a las yemas de los dedos robóticos. Los estudios realizados por el laboratorio Duke de Nicolelis demostraron recientemente que los animales detectan y responden a tales entradas eléctricas. No sabemos si el sujeto lo sentirá como un toque, dice Schwartz. Es muy burdo y simplista, y sin duda una serie de suposiciones incorrectas, pero no puedes preguntarle al mono qué es lo que acaba de sentir. Creemos que será un nuevo hallazgo científico. Si el paciente puede decir cómo se siente, será una noticia.

Otro objetivo clave, compartido por Schwartz y los investigadores de BrainGate, es conectar la corteza motora de un voluntario a los electrodos colocados en sus extremidades, lo que haría que los músculos se contraigan, digamos, para abrir y cerrar una mano. En abril, los cirujanos de Ohio que trabajaban con Battelle anunciaron que serían los primeros en probarlo. Le colocaron un implante cerebral a un hombre con una lesión en la médula espinal. Y tan pronto como el paciente se recupere, dice Battelle, iniciarán pruebas para reanimar sus dedos, muñeca y mano. Queremos ayudar a que alguien obtenga el control de su propia extremidad, dice Chad Bouton, el ingeniero a cargo del proyecto, quien previamente colaboró ​​con el grupo BrainGate. ¿Alguien puede tomar el control remoto de un televisor y cambiar el canal? Aunque Battelle no ha obtenido la aprobación de los reguladores para intentarlo, Bouton dice que el siguiente paso obvio es probar una señal bidireccional hacia y desde una extremidad paralizada, combinando control y sensación.

Problemas de interfaz

Puede parecer que las interfaces cerebro-máquina están progresando rápidamente. Si avanzas rápidamente desde el primer video de ese mono a alguien que mueve un robot en siete dimensiones, recoge cosas y las deja, es bastante dramático, dice Lee Miller, neurofisiólogo de la Universidad Northwestern. Pero lo que no ha cambiado, literalmente, es la matriz. Es el Stanley Steamer de implantes cerebrales. Incluso si demuestra control, se agotará en dos o tres años. Necesitamos una interfaz que dure 20 años antes de que esto pueda ser un producto.

La matriz de Utah se desarrolló a principios de la década de 1990 como una forma de registrar desde la corteza, inicialmente de los gatos, con un trauma mínimo en el cerebro. Se cree que el tejido cicatricial se acumula alrededor de las puntas de grabación en forma de aguja, cada una de 1,5 milímetros de largo. Si se resuelve ese problema de interfaz, dice Miller, no ve ninguna razón por la que no podría haber 100.000 personas con implantes cerebrales para controlar sillas de ruedas, cursores de computadora o sus propias extremidades. Schwartz agrega que si también es posible medir a partir de suficientes neuronas a la vez, alguien podría incluso tocar el piano con un brazo robótico controlado por el pensamiento.

El miembro protésico modular fue diseñado por el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins y financiado por DARPA.

Los investigadores están siguiendo varias ideas para mejorar la interfaz del cerebro. Hay esfuerzos para desarrollar electrodos ultrafinos, versiones que sean más compatibles con el cuerpo o láminas de componentes electrónicos flexibles que puedan envolver la parte superior del cerebro. En San Francisco, los médicos están estudiando si tales electrodos de superficie, aunque menos precisos, podrían usarse en un decodificador para el habla, lo que podría permitir que una persona como Stephen Hawking hable a través de una interfaz cerebro-computadora. En un ambicioso proyecto lanzado el año pasado en la Universidad de California, Berkeley, los investigadores están tratando de desarrollar lo que ellos llaman polvo neuronal. El objetivo es dispersar sensores piezoeléctricos del tamaño de una micra por todo el cerebro y utilizar ondas sonoras reflejadas para capturar descargas eléctricas de neuronas cercanas.

José Carmena, un investigador de Berkeley que, como Schwartz, trabaja con monos para probar los límites del control del pensamiento, ahora se reúne semanalmente con un grupo de una docena de científicos para delinear planes para mejores formas de registrar desde las neuronas. Pero cualquier cosa que se les ocurra tendría que probarse en animales durante años antes de que pudiera probarse en una persona. No creo que la matriz de Utah se convierta en el marcapasos del cerebro, dice. Pero quizás lo que terminemos usando no sea tan diferente. No ves la computadora más nueva en las misiones espaciales. Necesita la tecnología más robusta. Es lo mismo aquí.

Juego de números

Para tener éxito, cualquier dispositivo médico nuevo debe ser seguro, útil y económicamente viable. En este momento, las interfaces cerebro-máquina no cumplen con estos requisitos. Un problema es el riesgo de una cirugía cerebral y la posibilidad de infección. En Brown, Donoghue dice que el equipo de BrainGate está casi terminado de desarrollar un transmisor inalámbrico, del tamaño de un encendedor de cigarrillos, que iría debajo de la piel de una persona y reduciría el riesgo de infección al deshacerse de los pedestales y cables que hacen las interfaces cerebro-máquina. tan difícil de manejar. Donoghue dice que con un sistema inalámbrico, los implantes pronto podrían ser una opción médica realista.

Pero eso plantea otro problema delicado: ¿qué controlarán los pacientes? El brazo que controla Scheuermann sigue siendo un prototipo enormemente caro y, a menudo, se rompe. Le preocupa que no todos puedan pagar uno. En cambio, Leigh Hochberg, un neurólogo del Hospital General de Massachusetts que dirige el estudio BrainGate con Donoghue, cree que los primeros usuarios probablemente serán pacientes encerrados que no pueden moverse ni hablar. Hochberg consideraría un gran avance ofrecer a estos pacientes un control fiable del pensamiento sobre un ratón de ordenador. Eso les permitiría escribir palabras o cambiar de canal en una televisión.

Sin embargo, incluso los pacientes encerrados a menudo pueden mover los ojos. Esto significa que tienen formas más sencillas de comunicarse, como usar un rastreador ocular. Una encuesta de 61 pacientes con ELA realizada por la Universidad de Michigan encontró que alrededor del 40 por ciento de ellos consideraría someterse a una cirugía para un implante cerebral, pero solo si les permitiera comunicarse más de 15 palabras por minuto (una quinta parte de las personas que respondieron a la encuesta ya no podía hablar). BrainGate aún no ha reportado velocidades tan altas.

Sin un producto claramente definido al que apuntar, ninguna gran empresa se ha lanzado a crear un neuroprótesis para tetrapléjicos. Una startup quebró después de recaudar más de $ 30 millones.

Todas las piezas de la tecnología se han resuelto en algún nivel, dice Andy Gotshalk, CEO de Blackrock Microsystems, que fabrica la matriz de Utah y ha adquirido parte de la tecnología BrainGate. Pero si me pregunta cuál es el producto (¿es una prótesis de brazo o es una silla de ruedas que controla?), Entonces no lo sé. Hay un producto de alto nivel en mente, que es hacer la vida mucho más fácil para los tetrapléjicos. Pero no se ha definido exactamente qué sería. Simplemente no es concreto. Los científicos están recibiendo algunas publicaciones de alto nivel, pero tengo que pensar en el plan de negocios y eso es un problema.

Sin un producto claro al que apuntar, ninguna gran empresa ha intervenido. Y los riesgos para una empresa son especialmente altos porque hay relativamente pocos pacientes con cuadriplejía completa (alrededor de 40.000 en los EE. UU.) E incluso menos con ELA avanzada. Una empresa creada por Donoghue, Cyberkinetics, quebró después de recaudar más de $ 30 millones. En cambio, los investigadores se las arreglan con pequeñas subvenciones que son insignificantes en comparación con un esfuerzo comercial típico para desarrollar un nuevo dispositivo médico, que puede costar $ 100 millones. No hay una sola empresa dispuesta a invertir el dinero para crear una neuroprótesis para tetrapléjicos, y el mercado no es lo suficientemente grande como para que entre un capitalista de riesgo, dice Gotshalk. Los números no cuadran.

Otros piensan que la tecnología detrás de las interfaces cerebro-máquina puede tener aplicaciones inesperadas, muy alejadas del control de los brazos de los robots. Muchos investigadores, incluidos Carmena y el equipo de Battelle, están tratando de determinar si las interfaces podrían ayudar a rehabilitar a los pacientes con accidente cerebrovascular. Debido a que forman un gran mercado, sería un cambio de juego, dice Carmena. Algunas de las tecnologías de grabación podrían ser útiles para comprender enfermedades psiquiátricas como la depresión o el trastorno obsesivo compulsivo.

En el caso de Scheuermann, al menos, su interfaz cerebro-máquina ha demostrado ser una medicina poderosa. Cuando llegó por primera vez a Pittsburgh, dicen sus médicos, su afecto era plano y no sonreía. Pero ser parte del experimento la llenó de energía. Me estaba encantando. Tuve compañeros de trabajo por primera vez en 20 años y me sentí necesaria, dice. Terminó de dictar una novela de misterio, Afilado como un pepino , que había comenzado antes de enfermarse y lo había publicado en línea. Ahora está trabajando en una segunda. Scheuermann me dijo que le gustaría tener un brazo robótico en casa. Podría abrir la puerta, rodar por el césped y hablar con los vecinos. Tal vez abriría el refrigerador y tomaría un sándwich que su ayudante le había preparado.

Nuestra llamada estaba terminando. El momento fue incómodo. Podría colgar el teléfono, pero ella no. Su marido había salido de compras. Héctor estaba de vuelta en el laboratorio. Estaba sola y no podía moverse. Está bien, dijo Scheuermann. Dejaré que el teléfono se caiga al suelo. Adiós.

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