Captura de pantalla de la interfaz cerebro-computadora desarrollada por científicos de la Universidad de Zaragoza.
Fuente: Ernesto Serrano (OPINNO)

Biomedicina

Informes Biomed: Tecnologías emergentes para personas con lesión medular

Un brazo robótico controlado por un sistema no invasivo basado en una interfaz cerebro-computadora centra el primer reportaje de esta nueva serie.

  • MARTES, 31 DE ENERO DE 2012
  • Por Esther Paniagua

Cada año, decenas de miles de personas en todo el mundo sufren una lesión medular traumática que deja inmóvil gran parte de su cuerpo. La mayoría -según un macroestudio realizado para la revista científica Nature a partir de datos obtenidos desde 1995- son hombres jóvenes que pierden por completo la movilidad de sus extremidades o, en menor medida, presentan una paraplejia. En países como España, Francia o Inglaterra, los datos de ingresos hospitalarios por este tipo de trauma indican que se producen entre 1.000 y 1.200 nuevos casos anuales, y la causa más común son los accidentes de tráfico.

Los daños en la médula espinal impiden a quienes los padecen llevar una vida independiente debido a la inmovilidad que afecta a todo su cuerpo o a gran parte de él. Por ello y porque se considera un trauma de elevada incidencia, este supone un problema de salud pública de gran magnitud, y la tecnología se convierte en un aliado indispensable para los pacientes con lesión medular.

Los avances más prometedores en este sentido en los últimos años se han dado fundamentalmente en el campo de la neurorobótica y de la biomecánica, con sistemas de control cerebral de dispositivos o el desarrollo de exoesqueletos que permiten levantarse y andar a personas que han perdido la movilidad en las piernas. Sin embargo, estas herramientas necesitan ser perfeccionadas, ya que aún no se ha explotado su potencial. Camino de ello van las tecnologías emergentes en este campo, como veremos en esta primera serie de ‘Informes Biomed’ a lo largo de este y de los tres próximos reportajes.

Una de las novedades más destacadas en el ámbito de la neurorobótica y de las tecnologías de interfaz cerebro-computadora (BCI, por sus siglas en inglés) se ha desarrollado en España, en el marco del proyecto HYPER, financiado por el programa Consolider-Ingenio del ya extinto Ministerio de Ciencia e Innovación. El proyecto, coordinado por José Luis Pons, investigador del grupo de Bioingeniería del Instituto de Automática Industrial del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), está integrado por varias universidades, hospitales y centros de investigación españoles que desde finales 2009 trabajan para encontrar herramientas que ayuden a mejorar la movilidad de personas con trastornos severos del movimiento.

Recientemente, uno de los miembros del consorcio, la Universidad de Zaragoza, ha dado un paso que, aunque embrionario, supone un hito en el camino. Un equipo de científicos liderado por Javier Mínguez, profesor de esta universidad e investigador del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón, ha desarrollado un sistema no invasivo que permite controlar un brazo robótico mediante señales cerebrales.

El sistema se basa en una interfaz cerebro-computadora que decodifica la actividad encefalográfica de la persona. Para hacerlo –según explica Mínguez- utiliza un gorro con una serie de sensores que captan las ondas cerebrales. La información obtenida se envía al dispositivo robótico, que se desplaza al lugar deseado. Por el momento, el robot realiza tareas de alcance, es decir, se mueve en el espacio. El objetivo es que pueda ejecutar acciones de agarre que permitan a personas con lesión medular completa -que únicamente pueden mover la cabeza- realizar tareas básicas como coger un vaso y llevarlo hacia la boca.

No obstante, lo logrado hasta ahora por el equipo de Mínguez supone un gran avance, ya que las tecnologías de este tipo desarrolladas hasta la fecha requerían someter al paciente a una cirugía para la implantación en el cerebro de una serie de sensores capaces de captar las ondas cerebrales para transmitir esa información al dispositivo deseado (un brazo robótico o una silla de ruedas, por ejemplo). El de la Universidad de Zaragoza es, por tanto el primer prototipo funcional no invasivo probado en humanos. En los próximos meses, Mínguez espera realizar su primer ensayo clínico con pacientes y publicar los resultados a nivel internacional.

“Lo más complejo de este sistema es que tiene en cuenta que el cerebro de cada persona es diferente y se adapta a las características de cada uno”, señala el ingeniero, que ha logrado desarrollar esta tecnología con la ayuda del psicólogo Niels Birbaumer, director del Instituto de Psicología Médica y Comportamiento Neuronal de la Universidad alemana de Tübingen y aclamado experto en el campo de la neurobiología y la psicofisiología cortical. Para ello, se requiere realizar un calibrado de unos 30 minutos previo uso para que funcione adecuadamente. Además, es necesario que quien lo use se concentre en el punto donde quiere mover el brazo.

Esto significa que el movimiento no se produce de manera automática en el momento en que el usuario lo piensa, sino que este debe realizar un esfuerzo adicional de abstracción para centrarse en el recorrido que quiere que el brazo haga. Conseguir que este proceso sea más natural es otro de los propósitos del equipo de Mínguez, que trabaja para ello en colaboración con investigadores de la Unidad de Biomecánica y Ayudas Técnicas del Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo (España), liderada por el médico rehabilitador Ángel Gil-Agudo. Lograrlo es muy complejo, ya que implica una rehabilitación neurológica de los pacientes, que cuando sufren el daño medular pierden la capacidad de enviar al cerebro la orden de que mueva las áreas afectadas.

Debido a esto, los pacientes no pueden emitir esas señales para que el dispositivo las capte, por lo que es necesario enseñar a sus neuronas a hacerlo de otro modo. Esto es posible gracias a la neuroplasticidad, que es la capacidad del cerebro para reorganizarse mediante la formación de nuevas conexiones neuronales y que surge en respuesta a lesiones y enfermedades, como forma de adaptación a los cambios del entorno.

Una vía para inducir la neuroplasticidad es la estimulación mediante el movimiento forzado de los músculos. Sin embargo, esta vía no es válida para personas con lesión completa, ya que por mucho que se fuerce el movimiento la señal del músculo al cerebro no se transmite (no puede ascender porque la conexión cerebral está rota). El reto, por tanto, está en averiguar cómo fomentar la plasticidad neuronal actuando directamente sobre el cerebro, algo que Mínguez espera resolver en un año, con la ayuda de Gil-Agudo, mediante el análisis de la actividad cerebral de estos pacientes.

Si todo sale bien, habría que ajustar el prototipo actual teniendo en cuenta los resultados obtenidos. Como último paso, si se consigue financiación, sería necesario desarrollar una versión más sofisticada, con una estructura robótica que pueda 'vestir' el brazo del paciente de la forma más manejable posible, de cara a su lanzamiento al mercado. Pero para llegar a este punto, si se logra, todavía quedan años.  

En opinión de Joan Vidal, jefe de la Unidad de Lesión Medular del Instituto Guttmann, la línea de investigación que siguen estos científicos es ya "un clásico" aunque sigue siendo "muy interesante". De hecho, hay varios proyectos que están trabajando también en esta dirección en el Instituto Guttman (de los que hablaremos en próximos reportajes). Según explica Vidal, “en el fondo, la base consiste en buscar sistemas de BCI para activar cualquier cosa, ya sea un brazo o una pierna robótica, u otro dispositivo". Vidal cree que "para una persona que tiene paralizada gran parte del cuerpo es un buen sistema" y asegura que "la ciencia nos ha abierto en este sentido un campo de trabajo espectacular".

Otros equipos internacionales siguen igualmente este camino y algunos, como el liderado por el médico Chet Moritz, de la Universidad de Washington, han abierto vías prometedoras para restaurar el control el movimiento de las extremidades paralizadas. Recientemente, el equipo ha demostrado que es factible el uso de la actividad registrada en la corteza cerebral motora para controlar directamente la estimulación eléctrica de los músculos inmovilizados.

Los investigadores del grupo de Moritz también están tratando de orientar y promover la regeneración del tejido neuronal dañado mediante la microestimulación eléctrica para aumentar la fuerza de las conexiones sinápticas entre las neuronas a través de mecanismos de neuroplasticidad. Para ello, investigan si esta estimulación sincrónica, aplicada en una zona lesionada, puede guiar a las neuronas para establecer conexiones con los objetivos adecuados.

De momento, han logrado que un mono mueva su muñeca paralizada utilizando tecnología de BCI para interceptar células cerebrales, enseñarlas a ‘saltarse’ las áreas paralizadas y estimular los músculos del brazo, en una estrategia de biorretroalimentación. Los investigadores creen que es cuestión de tiempo lograrlo en humanos y, de hacerlo, marcarán un antes y un después en el tratamiento de las personas afectadas por lesión medular.

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