Nota Cientifica

PROTESIS CONTROLADAS POR EL CEREBRO 

RESUMEN

Imagínese a un paciente controlando el movimiento de su extremidad protésica con tan solo pensar los comandos.Debido a la alta incidencia de personas en situación de discapacidad motora y sensorial, la investigación en el desarrollo de interfaces neuronales y sistemas de comunicación máquina-cerebro ha tenido gran auge a través de los últimos diez años. La construcción de estas interfaces requiere un trabajo coordinado de disciplinas como: fisiología, ciencia de los materiales, instrumentación y procesamiento de señales, inteligencia computacional, mecánica, electrónica, robótica e informática, entre otras. Todas ellas para lograr una correcta interconexión entre el funcionamiento del sistema nervioso, la construcción de electrodos biocompatibles, la obtención de señales aptas para el procesamiento, la clasificación e identificación de patrones codificados y el diseño de los elementos efectores que den sentido a la interfaz. En esta revisión se hace un recorrido por las tres etapas fundamentales de las interfaces neuronales: la detección de las señales, el procesamiento de estas y la amplia gama de posibilidades para los mecanismos efectores.

PALABRAS CLAVE: Micro electrodos, Neuroingeniería, Telemetría, Corteza cerebral, Redes neuronales, Micro fabricación, Biocompatibilidad, Estimulación eléctrica, Discapacidad.

INTRODUCCION

Las personas que han perdido un miembro dicen que “A vivir sin un brazo, te acostumbras, pero al dolor no”. Pinchazos, descargas y hormigueos, así es la sensación del síndrome del miembro fantasma. A búsqueda de soluciones de ingeniería para las personas en situación de discapacidad motora, bloqueo de las vías de comunicación y expresión de las experiencias cognoscitivas ha llevado al desarrollo de interfaces neuronales artificiales. En el caso particular de las lesiones medulares, sólo en los Estados Unidos de América se tienen 250000 casos, con 11000 pacientes nuevos cada año. Estas estadísticas justifican las intensas investigaciones desarrolladas en este campo, sobre todo si se considera que las condiciones de vida de estos pacientes aumenta la tendencia a aceptar nuevos estudios que implican el implante crónico de electrodos en la corteza cerebral.

DESARROLLO

Los sistemas para el registro de la actividad bioeléctrica de neuronas individuales en primates y humanos se desarrollaron hace aproximadamente cuarenta años, pero sólo en la última década se potenció el implante de arreglos de electrodos directamente en el cerebro. Este hecho se debe a la elevada carga computacional que se requiere para procesar y decodificar las complejas señales derivadas de la actividad de múltiples neuronas individuales. La digitalización de la actividad eléctrica, por ejemplo, se debe realizar a altas velocidades (>20KHz) en varios canales, junto con las demandas para separar los potenciales de acción del ruido y traducir la actividad neuronal en un comando de acción apropiado. Todo en una referencia temporal útil de unos 200ms.

 

Si bien los recientes progresos en el desarrollo de una interfaz máquina-cerebro completa han sido importantes, aún se tienen limitantes en cuanto a la bioestabilidad y biofuncionalidad de los electrodos y hacen falta avances en telemetría para los generadores de pulso implantables. Además ha sido imposible obtener imágenes de alta resolución de los implantes debido a los materiales utilizados en la fabricación de los electrodos.

 

Las aplicaciones derivadas del desarrollo de las interfaces neuronales y los sistemas máquina-cerebro constituyen la base no sólo para el desarrollo de sistemas artificiales de control motor y de propiocepción, sino también para la regeneración neuronal y la reparación del sistema nervioso al combinar estas tecnologías con los avances en otros campos como la ingeniería de tejidos y la terapia génica. En este artículo se realiza una revisión tanto de los principios aplicados en el desarrollo de los sistemas computadora-cerebro y las interfaces neuronales, como una aproximación a las principales aplicaciones y desarrollos futuros en el área. A búsqueda de soluciones de ingeniería para las personas en situación de discapacidad motora, bloqueo de las vías de comunicación y expresión de las experiencias cognoscitivas ha llevado al desarrollo de interfaces neuronales artificiales. En el caso particular de las lesiones medulares, sólo en los Estados Unidos de América se tienen 250000 casos, con 11000 pacientes nuevos cada año [1]. Estas estadísticas justifican las intensas investigaciones desarrolladas en este campo, sobre todo si se considera que las condiciones de vida de estos pacientes aumenta la tendencia a aceptar nuevos estudios que implican el implante crónico de electrodos en la corteza cerebral. Los sistemas para el registro de la actividad bioeléctrica de neuronas individuales en primates y humanos se desarrollaron hace aproximadamente cuarenta años, pero sólo en la última década se potenció el implante de arreglos de electrodos directamente en el cerebro. Este hecho se debe a la elevada carga computacional que se requiere para procesar y decodificar las complejas señales derivadas de la actividad de múltiples neuronas individuales. La digitalización de la actividad eléctrica, por ejemplo, se debe realizar a altas velocidades (>20KHz) en varios canales, junto con las demandas para separar los potenciales de acción del ruido y traducir la actividad neuronal en un comando de acción apropiado. Todo en una referencia temporal útil de unos 200ms.Si bien los recientes progresos en el desarrollo de una interfaz máquina-cerebro completa han sido importantes, aún se tienen limitantes en cuanto a la bioestabilidad y biofuncionalidad de los electrodos y hacen falta avances en telemetría para los generadores de pulso implantables. Además ha sido imposible obtener imágenes de alta resolución de los implantes debido a los materiales utilizados en la fabricación de los electrodos.

Las aplicaciones derivadas del desarrollo de las interfaces neuronales y los sistemas máquina-cerebro constituyen la base no sólo para el desarrollo de sistemas artificiales de control motor y de propiocepción, sino también para la regeneración neuronal y la reparación del sistema nervioso al combinar estas tecnologías con los avances en otros campos como la ingeniería de tejidos y la terapia génica. En este artículo se realiza una revisión tanto de los principios aplicados en el desarrollo de los sistemas computadora-cerebro y las interfaces neuronales, como una aproximación a las principales aplicaciones y desarrollos futuros en el área.

CONCLUSION

Las personas con amputaciones de miembros inferiores tienden a ser adultos mayores, con condiciones de salud preexistentes, a diferencia de las personas a las que se les amputan los miembros superiores, lo que generalmente se debe a un trauma, estas nuevas prótesis les dan a los pacientes una gran esperanza de salir adelante.“Los pacientes con amputación de un miembro superior son más jóvenes y saludables, pero suelen verse más afectados por la discapacidad que les ocasiona la amputación del brazo”

[1] Black M. J., Bienenstocky E., Donoghuey J.P, Serruyay M., Wuz W., Gaoz Y. Connecting Brains with Machines: The Neural Control of 2D Cursor Movement. 1st International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering, pp. 580-583, Capri, Italy, March, 2003.

[2] Kelly S., Burke D., Chazal D., Reilly R. Parametric models and Classification for Direct Brain Interfaces. Proceedings of the Irish Signal and Systems Conference, Cork, Ireland, June 2002. https://www.elcomercio.es/vivir/salud/sindrome-miembro-fantasma-20200601170930-ntrc.html?ref=https:%2F%2Fwww.elcomercio.es%2Fvivir%2Fsalud%2Fsindrome-miembro-fantasma-20200601170930-ntrc.html

 

[3] Curran E., Stokes M. Learning to control brain activity: A review of the production and control of EEG components for driving brain-computer interface (BCI) systems. Brain and Cognition, 51, 326-336, 2003. 

[4] Engel K., Moll C., Fried I., Ojemann G. Invasive recordings from the human brain: clinical insights and beyond. Nature reviews (Neuroscience), 6, 35-47, June 2005.

[5] Schwartz A. B. Cortical Neural Prosthetics. Anual Review of Neuroscience, 27, 487-507, Marzo 2004.  https://es.euronews.com/2015/06/01/protesis-controladas-por-la-m