How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

Algo tan simple como tomar una taza de té requiere una gran cantidad de acción de su cuerpo. Tus músculos del brazo disparan para mover tu brazo hacia la copa. Tus músculos de los dedos disparan para abrir tu mano y luego doblas los dedos alrededor del mango. Los músculos de su hombro evitan que su brazo se salga de su hombro y sus músculos centrales se aseguran de no volcarse debido al peso extra de la copa. Todos estos músculos tienen que disparar de manera precisa y coordinada, y sin embargo, su único esfuerzo consciente es el pensamiento: "Lo sé: ¡té!"

Es por eso que hacer que una extremidad paralizada se mueva nuevamente es muy difícil. La mayoría de los músculos paralizados todavía pueden funcionar, pero su comunicación con el cerebro se ha perdido, por lo que no están recibiendo instrucciones para disparar. Todavía no podemos reparar el daño a la médula espinal por lo que una solución es evitarlo y proporcionar las instrucciones a los músculos artificialmente. Y gracias al desarrollo de la tecnología para leer e interpretar la actividad cerebral, estas instrucciones algún día podrían venir directamente de la mente de un paciente.

Podemos hacer que los músculos paralizados se disparen al estimularlos con electrodos colocados dentro de los músculos o alrededor de los nervios que los suministran, una técnica conocida como Estimulación eléctrica funcional (FES). Además de ayudar a las personas paralíticas a moverse, también se usa para restablecer la función de la vejiga, producir tos efectiva y aliviar el dolor. Es una tecnología fascinante que puede marcar una gran diferencia en la vida de las personas con lesión de la médula espinal.

Dimitra Blana y sus colegas en Keele están trabajando en cómo hacer coincidir esta tecnología con el conjunto complejo de instrucciones necesarias para operar un brazo. Si quiere recoger esa taza de té, qué músculos deben disparar, ¿cuándo y cuánto? Las instrucciones de encendido son complicadas, y no solo por la gran cantidad de músculos del núcleo, hombro, brazo y dedo involucrados. A medida que bebe lentamente su té, esas instrucciones cambian, porque el peso de la taza cambia. Para hacer algo diferente, como rascarse la nariz, las instrucciones son completamente diferentes.

En lugar de simplemente probar varios patrones de disparo en los músculos paralizados con la esperanza de encontrar uno que funcione, puede usar modelos informáticos del sistema musculoesquelético para calcularlos. Estos modelos son descripciones matemáticas de cómo los músculos, huesos y articulaciones actúan e interactúan durante el movimiento. En las simulaciones, puede hacer que los músculos sean más fuertes o más débiles, "paralizados" o "estimulados externamente". Puede probar diferentes patrones de disparo de forma rápida y segura, y puede hacer que los modelos recojan sus tazas de té una y otra vez, a veces con más éxito que otros.


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Modelando los músculos

Para probar la tecnología, el equipo de Keele está trabajando con Centro FES de Cleveland en los Estados Unidos, donde se implantan hasta electrodos 24 en los músculos y nervios de los participantes de la investigación. Usan modelos para decidir dónde colocar los electrodos porque hay más músculos paralizados que electrodos en los sistemas FES actuales.

Si tiene que elegir, ¿es mejor estimular el subescapular o el supraespinoso? Si estimula el nervio axilar, ¿debe colocar el electrodo antes o después de la rama al redondo menor? Para responder estas preguntas difíciles, ejecutan simulaciones con diferentes conjuntos de electrodos y elija el que permita que los modelos de computadora hagan los movimientos más efectivos.

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Actualmente, el equipo está trabajando en el hombro, que se estabiliza mediante un grupo de músculos llamado manguito rotador. Si te equivocas con las instrucciones de disparo del brazo, es posible que alcance la cuchara de sopa en lugar del cuchillo de mantequilla. Si te equivocas con las instrucciones del manguito rotador, es posible que el brazo se salga del hombro. No es un buen aspecto para los modelos de computadora, pero no se quejan. Los participantes de la investigación serían menos indulgentes.

Saber cómo activar los músculos paralizados para producir movimientos útiles como el agarre es solo la mitad del problema. También necesitamos saber cuándo activar los músculos, por ejemplo, cuando el usuario quiere recoger un objeto. Una posibilidad es leer esta información directamente desde el cerebro. Recientemente, investigadores en los Estados Unidos usó un implante para escuchar las células individuales en el cerebro de un individuo paralizado. Debido a que diferentes movimientos están asociados con diferentes patrones de actividad cerebral, el participante pudo seleccionar uno de los seis movimientos preprogramados que luego se generaron mediante la estimulación de los músculos de la mano.

Leyendo el cerebro

Este fue un emocionante paso adelante para el campo de las prótesis neuronales, pero quedan muchos desafíos. Idealmente, los implantes cerebrales deben durar muchas décadas; actualmente es difícil registrar las mismas señales incluso durante varias semanas, por lo que estos sistemas deben recalibrarse regularmente. Utilizando nuevos diseños de implantes or diferentes señales cerebrales puede mejorar la estabilidad a largo plazo.

Además, los implantes solo escuchan a una pequeña proporción de los millones de células que controlan nuestras extremidades, por lo que el rango de movimientos que se pueden leer es limitado. Sin embargo, control del cerebro de las extremidades robóticas con múltiples grados de libertad (movimiento, rotación y agarre) se ha logrado y las capacidades de esta tecnología avanzan rápidamente.

Finalmente, los movimientos suaves y sin esfuerzo que normalmente damos por sentado están guiados por una rica retroalimentación sensorial que nos dice dónde están nuestros brazos en el espacio y cuándo nuestras yemas de los dedos están tocando objetos. Sin embargo, estas señales también se pueden perder después de la lesión, por lo los investigadores están trabajando en implantes cerebrales que algún día pueden restaurar la sensación y el movimiento.

Algunos científicos están especulando que la tecnología de lectura del cerebro podría ayudar a las personas sanas a comunicarse más eficientemente con computadoras, teléfonos móviles e incluso directamente a otros cerebros. Sin embargo, este sigue siendo el campo de la ciencia ficción, mientras que el control del cerebro para aplicaciones médicas se está convirtiendo rápidamente en realidad clínica.

Acerca de los Autores

Dimitra Blana, Investigadora en Ingeniería Biomédica, Universidad de Keele

Andrew Jackson, investigador principal de Wellcome Trust, Universidad de Newcastle

Este artículo se publicó originalmente el La conversación. Leer el articulo original.

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