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Mono piensa que el robot entra en acción
En una demostración dramática del potencial de los brazos protésicos, un mono de la Universidad de Pittsburgh pudo usar su cerebro para controlar directamente un brazo robótico y alimentarse con un malvavisco. La investigación, publicada hoy en la revista Naturaleza , es el primero en demostrar que una interfaz que convierte las señales cerebrales directamente en acción es lo suficientemente sofisticada como para realizar una función práctica: comer. Los investigadores que dirigieron el trabajo acaban de comenzar las pruebas en humanos de una tecnología relacionada.
Poder del cerebro: Un mono con una serie de pequeños electrodos implantados en su cerebro usa sus pensamientos para controlar un brazo robótico, agarrando un trozo de malvavisco y llevándolo a su boca. En última instancia, los científicos esperan que este tipo de interfaz cerebro-máquina ayude a las personas paralizadas a realizar tareas cotidianas, como alimentarse o cepillarse el cabello.
Es la primera vez que un mono, o un humano, controla directamente, con su cerebro, una prótesis de brazo real, dice Krishna Shenoy , neurocientífico de la Universidad de Stanford que no participó en la investigación.
Las personas que sufren de accidentes cerebrovasculares o lesiones de la médula espinal, o de algunas enfermedades neurodegenerativas, como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), a menudo quedan paralizadas. Pero sus cortezas cerebrales, las partes del cerebro que controlan el movimiento, la planificación y otras funciones, pueden permanecer en gran parte intactas. Los científicos esperan sacar provecho de eso con el desarrollo de interfaces cerebro-máquina, dispositivos que convierten la actividad cerebral en acción, como el movimiento de un cursor en la pantalla de una computadora.
Las personas que están completamente paralizadas ahora pueden usar interfaces cerebro-máquina que miden de manera no invasiva las señales registradas desde la superficie del cuero cabelludo, pero los dispositivos son lentos y requieren una concentración sostenida para funcionar. Para crear una prótesis que funcione como un brazo real (el usuario piensa en mover su brazo y este se mueve) probablemente requerirá que la actividad eléctrica se registre directamente desde el cerebro.
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Observa cómo el mono usa el brazo robótico para alimentarse.
Vea al mono manipular el brazo robótico para que pueda lamer la mano robótica.
Eso ha sido posible en los últimos años, gracias a los avances en los diminutos conjuntos de electrodos utilizados para registrar señales neuronales. En investigaciones anteriores, John Donoghue y sus colegas de la Universidad de Brown demostraron que los electrodos implantados en el cerebro de un hombre paralítico se podían usar para mover un cursor en la pantalla de una computadora e incluso hacer un movimiento simple con un brazo robótico. Pero esa y otras investigaciones se han limitado a movimientos unidimensionales o bidimensionales y, salvo en unos pocos casos en los que se utilizó un brazo mecánico o una pinza, se realizaron virtualmente en una pantalla.
En la última investigación, encabezada por neurocientífico Andrew Schwartz en la Universidad de Pittsburgh, el mono pudo realizar una tarea más complicada. Andy ha llevado esto un paso más allá, hacia un dispositivo práctico que podría ser útil en el mundo real, dice John Kalaska , neurocientífico de la Universidad de Montreal, en Canadá, que escribió un comentario que acompaña a la publicación. El animal puede simplemente, a través de una especie de práctica mental, hacer que el robot se mueva hacia donde está la [comida], cerrar la mano, llevarla de vuelta a la boca y dejar que se la coma.
Para lograr la hazaña, a dos monos se les implantó una rejilla de microelectrodos en la corteza motora, parte del cerebro que controla la planificación y ejecución motora. Los animales habían sido entrenados previamente para mover un brazo robótico antropomórfico, con articulaciones móviles en el hombro, codo y muñeca, usando un joystick. Para aprender a controlar la prótesis con la mente, los monos tenían los brazos restringidos temporalmente mientras observaban cómo una computadora movía el brazo con los movimientos requeridos: extender el brazo hacia el trozo de comida, agarrarlo, llevarlo a la boca y liberarlo. Se imaginan a sí mismos haciendo la tarea, como lo hacen los atletas en los deportes, dice Schwartz. Las neuronas están activas mientras observan el movimiento, y luego podemos capturar las [señales neuronales] y usarlas para nuestro propio control.
Schwartz y su equipo usaron algoritmos relativamente simples para decodificar los patrones de actividad neuronal registrados durante la fase de observación, y luego usaron esa información para controlar el brazo robótico en tiempo real. (Los científicos pueden deducir tanto la dirección como la velocidad de un movimiento previsto a partir de la actividad de conjuntos de neuronas en la corteza motora: la actividad de conjuntos específicos de células indica la dirección, mientras que la amplitud de la señal general dicta la velocidad).
Después de solo dos días de entrenamiento, los monos aprendieron a controlar el brazo en tres dimensiones y a controlar la pinza colocada en el extremo que funciona como una mano. Los animales incluso aprendieron a usar el brazo de formas en las que no habían sido entrenados: un video adjunto muestra a un animal usando el brazo para empujar un trozo de comida a su boca. En un segundo video, el mono se lleva la pinza a la boca y la lame, ignorando otro trozo de comida. Se vuelve tan bueno en el uso de la herramienta que puede pensar en ella como parte de su propio cuerpo, dice Schwartz. Él compara el proceso de entrenamiento con aprender a usar un mouse para controlar el cursor de una computadora. Después de un cierto período de aprendizaje, no estás pensando en cómo tienes que activar un músculo en un dedo índice para presionar el botón izquierdo del mouse, dice. De esa manera, ha incorporado el cursor en la pantalla.
Schwartz y sus colaboradores ahora están probando la tecnología en humanos. La primera prueba, que comenzó la semana pasada, es en un paciente con epilepsia que se somete a una prueba de diagnóstico, conocida como electrocorticografía, en la que se colocan quirúrgicamente electrodos en la superficie del cerebro para tratar de identificar la fuente de las convulsiones. Los electrodos de superficie son más precisos que los registros no invasivos del cuero cabelludo y son menos invasivos que los electrodos implantados en el cerebro, aunque brindan un nivel de control más crudo. Los científicos se aprovecharán de esa prueba de diagnóstico y tratarán de usar las señales grabadas de los electrodos para controlar un programa de computadora.
Si tiene éxito, los investigadores comenzarán a probar la tecnología en pacientes con ELA. En las etapas finales de esta enfermedad, los pacientes están completamente paralizados; un programa de computadora controlado por el cerebro podría ayudarlos a hacer cosas básicas, como escribir un correo electrónico. Creemos que esto podría darles una forma de comunicarse con otros que sea más rápida que los métodos existentes, dice Schwartz. Esperamos poder crear una interfaz para una velocidad de escritura moderada, alrededor de 30 a 40 palabras por minuto.
Los investigadores tienen como objetivo probar electrodos completamente implantados, como los que se usan en el mono para controlar el brazo robótico, en humanos en los próximos dos años. Con los humanos, espero tener un control mucho mejor, dice Schwartz. Además de ser más fácil de entrenar, es de esperar que los humanos puedan explicar qué es difícil o qué necesita mejorarse, dice.
Incluso si esas pruebas tienen éxito, quedan obstáculos importantes antes de que dichos dispositivos se puedan utilizar de forma rutinaria en los pacientes. Los electrodos que se utilizan actualmente no son ideales para la grabación a largo plazo: las señales se degradan con el tiempo. Y, en última instancia, todo el sistema deberá ser portátil e inalámbrico, o al menos fácil de usar. Necesitamos facilitar las cosas para que los pacientes puedan practicar en cualquier momento que deseen, en lugar de que un técnico vaya a la casa y configure un equipo complicado, dice Schwartz. Esperamos que haya una mejora en las matrices de electrodos, desde recubrimientos bioactivos hasta telemetría. En dos años, mucho de eso debería estar en su lugar.