Parálisis y cirugía de bypass cerebral
Tabla de contenido:
- Descodificación de señales cerebrales
- Cómo funciona la tecnología
- Interfaces cerebro-computadora
- Optimismo para el futuro
Los avances científicos en la tecnología de la interfaz cerebro-computadora pueden ofrecer una nueva esperanza para superar la parálisis.
En el último avance, un hombre con tetraplejia que estaba paralizado hace ocho años recuperó el movimiento funcional de su brazo.
AdvertisementAdvertisementSe alimentó con su mano usando esta tecnología, la primera en la historia médica.
Investigadores de la Universidad Case Western Reserve en Ohio anunciaron sus hallazgos el 28 de marzo en la revista médica británica The Lancet.
El anuncio de Case Western se hizo un día después de que el empresario Elon Musk (de la compañía de cohetes y vehículos eléctricos Tesla SpaceX) revelara planes para desarrollar una tecnología similar.
AnuncioEl "encaje neuronal" de Musk, según un informe en The Wall Street Journal, uniría el cerebro de una persona directamente con una computadora.
Mientras tanto, los científicos de la Universidad Estatal de Ohio (OSU) están trabajando con un paciente con parálisis y han desarrollado una tecnología similar a la de Case Western.
El equipo de OSU está desarrollando la tecnología con científicos en Battelle Memorial Institute, una organización sin fines de lucro en Ohio que crea dispositivos médicos.
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Descodificación de señales cerebrales
Los científicos de Case Western han estado trabajando con Bill Kochevar, un cuadriplejia de 53 años que resultó herido en un accidente de bicicleta.
Los investigadores implantaron una neuroprótesis que decodificó las señales de su cerebro y las transmitió a los sensores en su brazo, lo que le ayudó a recuperar el movimiento en su mano y brazo.
Robert Kirsch, PhD, presidente del Departamento de Ingeniería Biomédica de Case Western, director ejecutivo del Centro de Estimulación Eléctrica Funcional (FES) de la universidad, es el autor principal de la investigación.
AdvertisementAdvertisementLlamó al avance un gran paso.
"Hemos demostrado la viabilidad de registrar las intenciones de movimiento de alguien y luego hacer su propio brazo para hacer esos movimientos", dijo.
Solo piensa en mover su brazo y el brazo se mueve como lo desea. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve UniversityEl colega de Kirsch Bolu Ajiboye, PhD, profesor asistente de ingeniería biomédica en Case Western y asociado de investigación en el Centro Médico de Administración de Veteranos de Louis Stokes Cleveland, explicó cómo funciona la tecnología.
Anuncio"El movimiento normal en personas no deterioradas ocurre porque la corteza motora genera un comando de movimiento, representado como señales eléctricas, que pasa a través de la médula espinal y luego activa los músculos apropiados", dijo Ajiboye a Healthline.
Una lesión de la médula espinal impide que esos impulsos eléctricos lleguen a los músculos, explicó, pero el comando de movimiento original todavía está codificado correctamente en los patrones de actividad eléctrica del cerebro.
AdvertisementAdvertisement"Nuestro sistema registra el patrón de actividad eléctrica a través del implante cerebral y utiliza algoritmos matemáticos para decodificarlo en un comando de movimiento diseñado por la persona con parálisis. Ese comando se convierte en un patrón de estimulación eléctrica que se aplica al grupo de músculos derecho para producir el movimiento. Para el Sr. Kochevar, el proceso es transparente e invisible. En sus palabras, dice que solo piensa en mover su brazo y el brazo se mueve como lo desea. "
Ajiboye también señaló qué no es esta nueva tecnología.
La ciencia ha intentado muchas veces "reparar" una columna dañada a través de la ingeniería de tejidos y el rebrote sin éxito, dijo.
Anuncio"Nos encantaría que los científicos encuentren una forma de regenerar y reconectar la médula espinal utilizando terapias celulares", dijo Ajiboye. "Sin embargo, nuestro enfoque actual utiliza la tecnología para eludir la lesión de la columna vertebral para obtener las señales de movimiento desde el cerebro hasta el conjunto de músculos derecho para producir el movimiento. "
Otras tecnologías que ayudan a las personas con parálisis a recuperar la función generalmente se limitan a dispositivos que pueden controlar utilizando sus voces y movimientos oculares o moviendo la cabeza.
AdvertisementAdvertisementSin embargo, ninguno de estos dispositivos permite el control de la propia extremidad.
"Nuestro dispositivo le permite al usuario mover su propia extremidad con solo pensar", explicó Ajiboye. "Quiero dejar en claro que nuestro sistema está eludiendo las lesiones espinales, en lugar de revertir la parálisis. Sin el sistema, el usuario aún estaría paralizado, y no hay evidencia que sugiera que el uso de este sistema eventualmente resultaría en un nuevo crecimiento espinal, o reintroduciría la capacidad de moverse sin el sistema. "
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Cómo funciona la tecnología
¿Por qué la tecnología Case Western es única?
El sistema es el primero en usar tanto una interfaz de computadora para implantes cerebrales con un sistema FES para activar eléctricamente los músculos paralizados.
Antes de esto, los científicos han tratado a varias personas con parálisis pero con un solo enfoque o el otro.
Kochevar es la primera persona en experimentar esta tecnología combinada.
Ajiboye dijo que muchos grupos de investigación han usado el sistema de interfaz cerebral con humanos y con primates no humanos. Ambos grupos de prueba pudieron realizar tareas como mover cursores en la pantalla de una computadora o mover brazos robóticos.
"Nuestro Centro FES durante los últimos 25 a 30 años ha implantado sistemas FES en personas con lesiones de la médula espinal para restaurar una serie de funciones, que incluyen reposo, caminar, respirar y movimientos de manos y brazos", dijo.
Kochevar se unió al proyecto de investigación Case Western en 2014. Recibió sus implantes cerebrales en diciembre de ese año.En 2015, Kirsch, Ajiboye y sus colegas implantaron electrodos en los músculos de su brazo y mano.
Kochevar aprendió a activar sus señales cerebrales para controlar diferentes dispositivos.
"Primero lo hicimos observar un movimiento virtual de brazo en la pantalla de una computadora, mientras que simultáneamente imaginaba hacer los mismos movimientos con su propio brazo", dijo Ajiboye. "Esto generó patrones de actividad neuronal. Luego desarrollamos un decodificador neuronal, un algoritmo matemático que relaciona los patrones generados de la actividad neuronal con aspectos de los movimientos virtuales del brazo. "
Luego, hicieron que Kochevar controlara el brazo virtual al generar patrones de señales cerebrales que luego fueron interpretadas por el decodificador neuronal, dijo Ajiboye.
Kochevar se entrenó para mover el brazo virtual con precisión a objetivos específicos en el área de trabajo. Los científicos cuantificaron su control del cerebro del brazo virtual, y descubrieron que era capaz de controlarlo casi de inmediato, dijo Ajiboye. Además, Kochevar logró rápidamente una tasa de éxito del 95 al 100 por ciento de la precisión del objetivo.
Finalmente, los científicos hicieron que Kochevar intentara mover su brazo a través de la estimulación FES en un proceso de dos pasos.
"Movimos su brazo manualmente (a través de estimulación eléctrica) y le dijimos que imaginara que tenía el control de los movimientos de sus brazos", dijo Ajiboye. "Nuevamente, esto ayudó a generar los patrones deseados de actividad neuronal, que usamos para construir y refinar nuestro decodificador neuronal. Le pedimos que usara el descodificador neuronal final para controlar los movimientos de su propio brazo, reanimado mediante estimulación eléctrica. Pudo mover instantáneamente su brazo como lo deseaba, y mejoró progresivamente con el uso creciente. "
En un video publicado por Case Western, Kochevar dijo:" Fue increíble porque pensé en mover mi brazo y lo hizo. Podría moverlo hacia adentro y hacia afuera, arriba y abajo. "
Dado que Kochevar tuvo parálisis a largo plazo, sus músculos inicialmente eran débiles y fácilmente fatigados. Ajiboye dijo.
Para desarrollar su fuerza muscular y su resistencia a la fatiga, el equipo "ejercitó" sus músculos durante varias horas al día utilizando estimulación eléctrica sin el sistema de interfaz cerebral.
Con el tiempo, este ejercicio estimulado eléctricamente aumentó su fuerza muscular y su capacidad para usar el sistema por más tiempo sin fatiga.
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Interfaces cerebro-computadora
Como las innovaciones de Case Western, la innovación del estado de Ohio ayudó a un hombre con tetraplejia a usar su mano después de años de parálisis.
El equipo de investigación fue dirigido por el Dr. Ali Rezai, profesor de neurocirugía y neurociencia, y director del Centro de Neuromodulación en el Wexner Medical Center de la universidad.
El paciente, Ian Burkhart, sufrió una lesión grave de la médula espinal a los 19 años durante un accidente de buceo. Le dejaba poca función y movimiento en los hombros y bíceps, y ningún movimiento desde los codos hasta las manos.
"Nuestro equipo ha desarrollado una tecnología de interfaz cerebro-computadora que evita la médula espinal dañada, permitiendo que un paciente como Ian con lesión de la médula espinal y cuadriplejia y sin función de sus manos durante cinco años simplemente use sus pensamientos para mover su mano sin vida para cobrar vida y bajo su control volitivo ", dijo Rezai a Healthline.
En abril de 2014, Rezai implantó un microchip del tamaño de la cabeza de un borrador de lápiz en la superficie de la corteza motora del cerebro de Burkhart. Los 96 microelectrodos del chip registraron el disparo de sus neuronas individuales.
Rezai y sus colegas desarrollaron el sistema de derivación neural, que registra y analiza la actividad cerebral que ocurre cuando Burkhart intenta mover su mano.
Después de pasar por alto la médula espinal dañada y la conexión dañada del cerebro a los nervios musculares, el sistema vincula la señal cerebral de Burkhart con una manga externa de la prenda, dijo Rezai.
Esto permite a Burkhart mover su mano.
"El implante cerebral registra e interpreta las señales cerebrales vinculadas a los pensamientos, y las vincula a una prenda de vestir externa para controlar sus músculos", explicó Rezai. "Es un sistema de estimulación neuromuscular. Los pensamientos asociados con la intención de moverse (por ejemplo, abrir la mano) se vinculan y conectan en cuestión de milisegundos con el movimiento real de la mano funcional. "
La primera generación de la prenda de vestir externa y el sistema de estimulación, dijo, tiene hasta 160 electrodos estimulantes" compuestos de hidrogel súper flexible, una serie de electrodos de alta definición y alta resolución que se ajustan a diferentes formas y contornos como el antebrazo. "
La prenda se puede transformar en una manga, un guante, un calcetín, un pantalón, un cinturón, una cinta para la cabeza y otros factores de forma.
"Se necesita una gran complejidad y coordinación para permitir que los movimientos se efectúen con suavidad y que levanten un agitador para remover el café, usar un cepillo de dientes o jugar un videojuego", dijo. "Este algoritmo de aprendizaje de máquina está mejorando y refinando los movimientos de movimientos ásperos y agitados, a movimientos más suaves y fluidos. "
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Optimismo para el futuro
Los neurocientíficos que observan los avances recientes están impresionados y son optimistas.
Joseph O'Doherty, PhD, becario postdoctoral senior en el Laboratorio Philip Sabes de la Universidad de California, San Francisco, Centro para la Neurociencia Integrativa, llama a estos avances recientes en la tecnología de la interfaz cerebro-computadora "revolucionaria". "
" Esta investigación muestra que los miembros paralizados pueden reanimarse, solo con el pensamiento, para restaurar los movimientos coordinados y multiarticulares importantes para la vida diaria: alcanzar, agarrar, comer y beber ", dijo a Healthline. "Es una demostración de prueba de principios que plantea la posibilidad de que terapias similares pronto puedan encontrar la adopción fuera de la clínica. "
Los científicos han estado trabajando en las interfaces cerebro-computadora, de una forma u otra, desde finales de la década de 1960, dijo. El campo ha progresado desde el control de los cursores de la computadora, hasta las sillas de ruedas en movimiento y los brazos robóticos, para, ahora, restablecer el control voluntario sobre las extremidades.
"La lesión de la médula espinal a menudo afecta el sentido del tacto y la capacidad de movimiento", dijo O'Doherty. "Restaurar las sensaciones de las extremidades será un elemento crucial de las neuroprótesis que permiten movimientos naturales y fluidos. "
" Todavía hay muchos desafíos por superar ", agregó," pero este nuevo resultado, combinado con muchos avances relacionados en tecnología inalámbrica, tecnología de batería, ciencia de materiales y más, me hace ser muy optimista sobre los dispositivos neuroprotésicos para restaurar. el movimiento y la sensación están ampliamente disponibles. "
Estas innovaciones ofrecen esperanza y el potencial para la restauración del movimiento y una mayor independencia para muchos pacientes que viven con parálisis u otras discapacidades físicas. Dr. Ali Rezai, Centro Médico Wexner de la Universidad Estatal de OhioRezai dijo que cada año 12,000 personas en los Estados Unidos sufren una lesión en la médula espinal, y 300,000 viven con tales lesiones por accidentes automovilísticos, trauma, lesiones deportivas y cae
Menos del 1 por ciento logra recuperación total, y la mayoría tiene déficits que dependen de varias tecnologías de asistencia y adaptación para proporcionar un grado limitado de independencia.
"Estas innovaciones ofrecen esperanza y el potencial de restauración de movimiento y una mayor independencia para muchos pacientes que viven con parálisis u otras discapacidades físicas", dijo Rezai. "Además de las mejoras motrices, esta tecnología tiene implicaciones potenciales para las personas con deficiencias sensoriales, dolor crónico, habla, apoplejía, cognitivas, ansiedad e implicaciones conductuales. "
Rezai dijo que tiene la esperanza de que pronto las personas con discapacidades físicas, sensoriales, cognitivas y de otro tipo tengan la oportunidad de ser más funcionales, tener más independencia y una mejor calidad de vida.
"Nuestro objetivo es hacer que esta tecnología sea menos invasiva, reducir el tamaño del dispositivo, miniaturizar los sensores, hacer que el sistema sea inalámbrico y proporcionar el sistema en casa en lugar de en el laboratorio", dijo.
El equipo de Case Western también está trabajando para hacer avanzar su sistema tecnológicamente.
"Necesitamos desarrollar una interfaz de cerebro inalámbrico para reemplazar el cable que conecta al usuario con un conjunto de computadoras de grabación", dijo Ajiboye. "Necesitamos mejorar el implante cerebral para la longevidad, aumentar la cantidad de neuronas que podemos registrar y desarrollar una interfaz cerebral totalmente implantada y un sistema funcional de estimulación eléctrica. "
