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Los chips cerebrales otorgan nuevos poderes a los pacientes paralizados
Los neurocientíficos sueñan con crear prótesis neuronales que permitan a los pacientes paralizados recuperar el control de sus brazos y piernas. Si bien ese objetivo aún está lejos, los investigadores de la Universidad de Brown y el Hospital General de Massachusetts informan de un avance prometedor.
Matthew Nagle, un hombre de 25 años que quedó paralizado después de una herida de cuchillo en 2001, fue la primera persona en probar una serie de electrodos implantados quirúrgicamente. (Crédito: Joshua Paul.)
En un estudio publicado en la revista Naturaleza esta semana, los investigadores describen cómo dos pacientes paralizados con un dispositivo neural implantado quirúrgicamente controlaron con éxito una computadora y, en un caso, un brazo robótico, usando solo sus mentes.
[Haga clic aquí para ver videos del paciente controlando el cursor de una computadora y un mano protésica .]
Es la primera vez que se logran tales resultados con implantes neurales en humanos. Los investigadores ahora están refinando el sistema experimental en un producto comercial, uno que podría ayudar a los pacientes en su vida diaria. Planean hacer que el dispositivo sea inalámbrico y completamente implantable y mejorar la velocidad y complejidad de los movimientos que pueden realizar los pacientes que usan el implante.
Es un estudio histórico porque muestra que incluso años después de la lesión, aún puede registrar señales útiles del cerebro y usarlas para manejar un dispositivo, dice Joseph Pancrazio , director del programa de investigación en ingeniería neuronal en los Institutos Nacionales de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares en Bethesda, MD. Este grupo realmente ha empujado la frontera.
Durante las lesiones de la médula espinal y algunos tipos de accidentes cerebrovasculares, el sistema de transmisión de información entre el cerebro y los músculos se interrumpe. Los dispositivos neuronales, como el que se usó en el estudio, tienen como objetivo registrar y procesar las señales existentes y usarlas para controlar un cursor de computadora, un brazo robótico o incluso una extremidad paralizada. Los investigadores de Brown / MGH implantaron por primera vez un chip cerebral en un ser humano en junio de 2004. Y aunque ha habido signos de éxito desde entonces, el Naturaleza El artículo es la primera publicación revisada por pares que describe en detalle lo que los pacientes paralizados pueden hacer con el implante. ( Revisión de tecnología informó sobre el trabajo de Donoghue con Nagle el año pasado, en Implanting Hope, marzo de 2005.)
La interfaz cerebro-computadora utilizada en el estudio, realizada por Cibercinética Neurotechnology Systems en Foxborough, MA, consiste en un pequeño chip de silicio que contiene 100 electrodos que registran señales de cientos de neuronas en la corteza motora. Luego, un algoritmo informático traduce este patrón complejo de actividad en una señal que se utiliza para controlar un dispositivo externo.
El primer paciente al que se le implantó el dispositivo, un hombre de 25 años que quedó paralizado después de una herida de cuchillo en 2001, aprendió con éxito a controlar el cursor de una computadora, moviéndose hábilmente a través de un programa de correo electrónico y usando la computadora para encender un televisor. y cambiar de canal. Cuando el dispositivo se conectó a una mano robótica, rápidamente aprendió a controlar la mano, levantando y colocando un caramelo en la mano de un técnico. Fue emocionante porque se dio cuenta de eso muy rápido, alrededor de diez minutos, dice John Donoghue , científico principal del proyecto, fundador de Cyberkinetics y neurocientífico de la Universidad Brown en Providence, RI. (Haga clic aquí para ver el video del paciente controlando un cursor de computadora y una mano protésica).
Otros dos pacientes del ensayo, ambos con diferentes tipos de lesiones, también aprendieron a manipular un programa informático, aunque todavía no han probado el brazo robótico. Los resultados muestran que es factible usar estos dispositivos en un entorno del mundo real, pero tenemos un largo camino por recorrer antes del uso diario, dice Donohue.
Los neurocientíficos han utilizado dispositivos similares en monos y otros animales durante varios años, pero el ensayo de Donohue es el primero en probar conjuntos de electrodos implantados quirúrgicamente en pacientes humanos. Es un gran salto llevar esta tecnología a los humanos, dice Stephen Scott , neurocientífico de la Queen's University en Kingston, Ontario, que escribió un comentario que acompaña al artículo. Esto fue bastante exitoso para un primer intento: los pacientes mostraron algunas capacidades impresionantes.
Si bien los resultados son prometedores, los expertos advierten que la tecnología se encuentra en las primeras etapas. Esto todavía está lejos de ser un dispositivo útil que realmente aumente la calidad de vida de este paciente, dice Andrew Schwartz , neurocientífico de la Universidad de Pittsburg que estudia dispositivos similares en animales. La misma tecnología funciona mejor en monos, lo que sugiere que es necesario trabajar más en el diseño de los electrodos de grabación y los filtros de software, dice.
Actualmente, los dispositivos de asistencia disponibles para pacientes paralizados, como los programas de computadora activados por la voz o los movimientos oculares, dependen de una señal secundaria para ejecutar el comando y requieren tanto un período de entrenamiento como un alto nivel de concentración. Un dispositivo implantado tiene el potencial de ayudar a los pacientes de una manera mucho más natural. Aprovecha toda la información que el cerebro usa para mover [los músculos], dice Donoghue. Debido a que imita el sistema de procesamiento normal del cerebro, los pacientes pueden controlar un cursor y hablar al mismo tiempo, dice.
Donoghue y sus colegas ahora están adaptando el sistema experimental en un dispositivo para un uso más amplio. El sistema actual tiene cables que conectan el implante a una computadora externa a través del cráneo, lo que conlleva el riesgo de infección. Los investigadores planean miniaturizar el hardware y hacerlo inalámbrico, de modo que se pueda implantar todo el sistema.
El equipo también está desarrollando un nuevo software de análisis, que esperan permita tipos de movimiento más sofisticados. Actualmente, los pacientes pueden navegar por un programa de correo electrónico o realizar movimientos bruscos con un brazo robótico; pero no pueden realizar tareas más complejas, como usar el brazo robótico para escribir en un teclado o comer un plato de sopa.
Para lograr movimientos tan complicados, los científicos primero deben crear un mejor decodificador, el algoritmo que interpreta las señales neuronales del cerebro. Cuando el cerebro se prepara para mover, digamos, una mano de izquierda a derecha, millones de neuronas en la corteza motora del cerebro se activan de una manera específica. Los investigadores generan el decodificador pidiendo a los pacientes que imaginen moviendo la mano en un círculo, lo que hace que las neuronas se disparen como si la extremidad paralizada se estuviera moviendo. Luego, un programa de computadora registra y procesa esta información, creando finalmente un filtro que traduce la actividad neuronal posterior en las acciones deseadas.
Pero el filtro todavía tiene una capacidad mucho más limitada para traducir información que el cerebro. Utiliza datos de cientos de neuronas en lugar de millones y recopila información de una sola parte del cerebro. Donohue y sus colegas ahora están desarrollando diferentes tipos de algoritmos para ver cuáles son más adaptables y hacen el mejor uso de las señales neuronales disponibles.
Podemos probar diferentes algoritmos y los pacientes pueden decirnos cuáles son los más fáciles o los que se sienten más naturales, dice Leigh Hochberg, neurólogo del Hospital General de Massachusetts y autor principal del estudio. Sospecho que si podemos continuar mejorando la decodificación desde solo un área pequeña y quizás grabar desde múltiples áreas del cerebro, podríamos mejorar aún más la variedad de sistemas de control disponibles para las personas.
Otros científicos también están desarrollando formas de hacer que las interfaces cerebrales sean mucho más rápidas. Para un paciente, eso podría significar la diferencia entre tener dificultades para escribir un correo electrónico y redactar uno con poco esfuerzo. Trabajando con primates, Krishna Shenoy y sus colegas de la Universidad de Stanford en Stanford, CA, pudieron cuadriplicar las tasas de transferencia de información utilizando un implante similar, pero registrando desde una parte diferente del cerebro. Para un ser humano, eso se traduciría en escribir 15 palabras por minuto en lugar de solo cuatro.
Donoghue eventualmente planea adaptar su sistema para realizar una hazaña aún mayor. El equipo está colaborando con científicos de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio, para crear un dispositivo que utiliza señales del cerebro para estimular eléctricamente el músculo paralizado, lo que potencialmente permite a los pacientes mover sus extremidades.
No es de extrañar que esto sea lo que más quiere la gente. Cuando Donoghue preguntó a un paciente si prefería poder realizar movimientos sofisticados con un brazo protésico o movimientos toscos con su propio brazo, eligió lo último. La idea de reanimar su propio cuerpo era mucho más importante que lo sofisticado que pudiera ser el movimiento, dice Donoghue.