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Recablear el cerebro
Un par de monos parcialmente paralizados recuperaron la capacidad de mover sus muñecas cuando los investigadores conectaron neuronas individuales directamente a los músculos del brazo del mono, según un estudio publicado en línea en Naturaleza El miércoles.
Mueve un músculo: Los monos paralizados recuperaron la capacidad de mover las muñecas cuando se reconectó su sistema nervioso. Al conectar las células cerebrales directamente a las células musculares a través de una computadora que traduce la actividad cerebral en una sacudida eléctrica, los investigadores evitaron la conexión defectuosa para que los monos pudieran mover sus muñecas previamente paralizadas para manipular un cursor en una caja en pantalla.
Este enfoque sería muy relevante para los pacientes con lesión de la médula espinal, dice Northwestern University neurocientífico Lee Miller , que no participó en el trabajo.
Los investigadores, dirigidos por Eberhard Fetz , profesor de fisiología y biofísica en el Universidad de Washington , paralizó temporalmente el brazo de cada mono. Luego, desviaron las señales cerebrales alrededor de la vía nerviosa bloqueada pasando cables desde una sola neurona en la corteza motora, el área del cerebro responsable del movimiento, a través de una computadora hasta un músculo del brazo. Siempre que la neurona se disparaba por encima de una determinada velocidad, la computadora traducía la señal en una descarga eléctrica al músculo del brazo, lo que hacía que se contrajera.
Como prueba del recableado, los investigadores hicieron que cada mono jugara un videojuego simple. Al mover su muñeca, el mono podría manipular un cursor en la pantalla de una computadora. Mover el cursor a un cuadro al costado de la pantalla le valió al mono una recompensa. Aunque la célula cerebral recableada se eligió al azar, los monos aprendieron rápidamente a mover sus muñecas paralizadas.
Descubrimos, sorprendentemente, que casi todas las neuronas que probamos en el cerebro podrían usarse para controlar este tipo de estimulación, dice Chet Moritz, investigador principal de la Universidad de Washington y coautor del artículo. Incluso las neuronas que no estaban relacionadas con el movimiento de la muñeca antes del bloqueo nervioso podían controlarse y cooptarse.
Normalmente, el movimiento del brazo, incluso la contracción de un solo músculo del brazo, no sería el resultado de la activación de una sola neurona, sino de la acción coordinada de muchas neuronas en la corteza motora. Esas neuronas iniciarían una señal eléctrica que se propagaría por la médula espinal y a través de los nervios periféricos para desencadenar movimientos del brazo adaptados a la intención del mono.
Otros grupos han registrado esos patrones complejos de activación de neuronas y han utilizado algoritmos informáticos para traducirlos en acción, por ejemplo, moviendo el cursor de una computadora. En cambio, el grupo de la Universidad de Washington vinculó una sola neurona a un solo músculo. Nuestro enfoque es crear la conectividad en bruto entre neuronas individuales en el cerebro y los músculos, o grupos de músculos, y dejar que el mono aprenda a usar esa conectividad.
Usar una sola neurona tiene sus ventajas, dice Moritz. Traducir la velocidad de disparo de una celda en una descarga eléctrica es un cálculo sencillo, que se logra fácilmente con un dispositivo del tamaño de un teléfono celular. Traducir mediciones simultáneas en un conjunto de movimientos musculares coordinados requiere mucha más potencia de cálculo.
Pero para que el enfoque de una sola neurona sea útil para un paciente paralizado, deberá ampliarse con éxito. Contraer un músculo del brazo ofrece poca recompensa práctica; movimientos como alcanzar y agarrar requieren que muchos músculos trabajen en conjunto. Los investigadores ya han dado pasos en esta dirección. Primero, demostraron que una sola célula podía trabajar dos músculos diferentes: una alta frecuencia de disparo provocaba que la muñeca se flexionara, mientras que una baja frecuencia de disparo hacía que se extendiera. A continuación, conectaron dos conexiones redirigidas al mismo tiempo, con una neurona conectada al músculo que extiende la muñeca y otra al músculo que flexiona la muñeca.
Pero Andrew Schwartz , profesor de neurobiología en el Universidad de Pittsburgh , es escéptico. Un brazo móvil, dice Schwartz, es un sistema mecánico muy complicado. Cualquier movimiento sofisticado del brazo requiere no solo una gran cantidad de músculos coordinados con precisión que actúan a través de varias articulaciones complejas, sino también la propagación de fuerzas a lo largo de la extremidad. Si su intención es generar un movimiento, debe calcular de alguna manera el efecto de todas estas fuerzas en el brazo, dice Schwartz. No se trata solo de 'Activa un músculo y el brazo irá donde quieras'. Hay muchas matemáticas involucradas.
Según el grupo de la Universidad de Washington, puede ser posible eludir la cuestión de cómo generar movimientos intrincados conectando una sola célula cerebral directamente a una región específica de la médula espinal. . Estimular una sola ubicación en la médula espinal a menudo activará de 10 a 15 músculos diferentes en un equilibrio preciso, dice Moritz.
Más allá de las deficiencias teóricas de la estrategia de neurona única, hay una serie de obstáculos tecnológicos que superar antes de que pueda utilizarse en pacientes. Las lecturas de electrodos de una célula cerebral individual pueden degradarse con el tiempo, destruyendo potencialmente la conexión redirigida. Como resultado, dice Moritz, cualquier configuración a largo plazo necesitaría cierto grado de redundancia.
Además, agrega, el sistema idealmente sería completamente implantable. Siempre que los cables sobresalen de la piel, como sucedió en los experimentos con monos, presentan riesgos de infección y alteración. El grupo planea abordar este problema con componentes miniaturizados y tecnología inalámbrica.
Debido a que su enfoque requiere relativamente poca potencia informática, dice Moritz, creemos que podemos estar un paso más cerca de los sistemas totalmente implantables de bajo consumo.