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Extremidades robóticas que se conectan al cerebro
La mayoría de los brazos robóticos que utilizan ahora algunos amputados son de utilidad práctica limitada; tienen solo dos o tres grados de libertad, lo que permite al usuario hacer un solo movimiento a la vez. Y se controlan con esfuerzo consciente, lo que significa que el usuario puede hacer poco más mientras mueve la extremidad.
Extremidades realistas: Un brazo protésico controlado por el cerebro, que se está desarrollando en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins con fondos de DARPA, puede permitir a los amputados realizar movimientos mucho más sofisticados.
Una nueva generación de brazos protésicos mucho más sofisticados y realistas, patrocinada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa, puede estar disponible dentro de los próximos cinco a 10 años. Dos prototipos diferentes que se mueven con la destreza de una extremidad natural y que, en teoría, pueden controlarse de manera igual de intuitiva, con señales eléctricas registradas directamente desde el cerebro, están comenzando ahora las pruebas en humanos.
Los resultados iniciales de uno de estos estudios, las primeras pruebas de un ser humano paralizado que controla un brazo robótico con múltiples grados de libertad, se presentarán en la conferencia de la Sociedad de Neurociencias en noviembre.
Los nuevos diseños tienen aproximadamente 20 grados de movimiento independiente, un salto significativo con respecto a las prótesis existentes, y se pueden operar a través de una variedad de interfaces. Un dispositivo, desarrollado por Investigación y desarrollo DEKA , se puede controlar conscientemente mediante un sistema de palancas en un zapato.
En un enfoque más invasivo pero también más intuitivo, los amputados se someten a una cirugía para que los nervios restantes de las extremidades perdidas se trasladen a los músculos del pecho. Pensar en mover el brazo contrae los músculos del pecho, que a su vez mueve la prótesis. Pero este enfoque solo funciona en aquellos con suficiente capacidad nerviosa restante y proporciona un nivel limitado de control. Para aprovechar al máximo la destreza de estas prótesis y hacer que funcionen como un brazo real, los científicos quieren controlarlas con señales cerebrales.
Cuando levantas un objeto, tu cerebro sabe automáticamente que debe rotar la muñeca y mover los dedos, dice Michael McLoughlin, quien supervisa el desarrollo de una de las prótesis en la Laboratorio de Física Aplicada (APL) en la Universidad Johns Hopkins. Queremos una extremidad diestra y la capacidad de controlarla de forma natural, así como cierto nivel de retroalimentación táctil.
Durante los últimos cinco años se han realizado pruebas limitadas de implantes neurales en pacientes gravemente paralizados. A unas cinco personas se les han implantado chips hasta la fecha, y han podido controlar los cursores en la pantalla de una computadora, conducir una silla de ruedas e incluso abrir y cerrar una pinza en un brazo robótico muy simple. Pruebas más extensas en monos implantados con un chip cortical muestran que los animales pueden aprender a controlar un brazo protésico relativamente simple de una manera útil, usándolo para agarrar y comer un trozo de malvavisco.
El siguiente gran paso es preguntar, ¿cuántas dimensiones puedes controlar? dice John Donoghue , neurocientífico de la Universidad de Brown que desarrolla interfaces cerebro-computadora. Sacar agua y llevársela a la boca requiere unos siete grados de libertad. Todo el brazo tiene un orden de 25 grados de libertad. El grupo de Donoghue, que ha supervisado pruebas anteriores de implantes corticales en pacientes, ahora tiene dos voluntarios paralizados probando el brazo DEKA. Los investigadores de APL han desarrollado una segunda prótesis de brazo con un repertorio aún mayor de posibles movimientos y han solicitado permiso para comenzar las pruebas en humanos. Su objetivo es comenzar a implantar pacientes con lesiones de la médula espinal en 2011, en colaboración con científicos de la Universidad de Pittsburgh y Caltech.
Los voluntarios de este estudio obtendrán dos chips corticales diferentes, cada uno con 100 electrodos de grabación. Los científicos esperan que duplicar la capacidad de escuchar el cerebro proporcione suficientes señales independientes para permitir movimientos más complejos en el sofisticado brazo APL. Este es un brazo muy diestro y antropomórfico, dice Andrew Schwartz , uno de los neurocientíficos involucrados en el estudio. El ancho de banda de información que necesita para controlar el dispositivo es mucho mayor.
Los investigadores de Pittsburgh también probarán nuevos chips combinados con sistemas de telemetría, que procesan parte de la información registrada en el chip antes de enviarla a un procesador implantado en el pecho. A continuación, el procesador controla el brazo de forma inalámbrica. Las versiones actuales en uso en humanos y monos envían información a través de cables que salen del cráneo, lo que aumenta el riesgo de infección a largo plazo. Si bien la nueva configuración será algo similar a la que se usa en los marcapasos cardíacos y los dispositivos de estimulación cerebral profunda, un brazo protésico realiza funciones más complejas que un marcapasos y, por lo tanto, se necesita más información para controlarlo. Ningún dispositivo implantable tiene un sistema de telemetría capaz de este ancho de banda, dice Schwartz. Esta tecnología será un gran paso.
En última instancia, los investigadores de Pittsburgh también apuntan a agregar capacidad sensorial a los brazos, agregando materiales que pueden detectar el calor y otras propiedades y transmitir esa información a un tercer chip implantado en una parte del cerebro que procesa los estímulos sensoriales.
Todavía no está claro cuál será el nivel más alto de complejidad en términos de control del brazo. Esperamos tener al menos 11 grados de libertad, dice Schwartz. Su equipo ha desarrollado algoritmos que pueden derivar siete grados de libertad de movimiento en monos en tiempo real. ¿Cómo subiremos a 20 o 30? No lo sabemos, tal vez necesitemos nuevos algoritmos, tal vez más electrodos, dice Schwartz.
Incluso si las pruebas tienen éxito, los investigadores se enfrentan a un gran desafío; deben demostrar que el sistema de control cortical invasivo es significativamente mejor que los enfoques no invasivos. Los amputados que utilizan la interfaz controlada por zapatos pueden recoger cajas, operar un taladro e incluso usar palillos. Si fueras una persona amputada y pudieras hacerlo con zapatos, ¿te pondrían un sensor en el cerebro? pregunta Donoghue. Puede ser una cuestión de preferencia personal y el nivel de riesgo y beneficio que cada persona está dispuesta a tolerar. Podrías hacerlo, porque es más natural y puedes caminar y hacer otras cosas.