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Biotecnología

Unas prótesis robóticas que se conectan al cerebro

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Los científicos están probando si las señales del cerebro pueden controlar brazos sintéticos sofisticados.

  • por Emily Singer | traducido por Joan Minguet (Opinno)
  • 29 Octubre, 2010

La mayor parte de los brazos robóticos usados actualmente por algunos amputados no son muy prácticos; sólo tienen dos o tres grados de libertad, lo que permite al usuario hacer un solo movimiento a la vez. Además, se controlan mediante un esfuerzo consciente, es decir, que el usuario no puede hacer otra cosa mientras mueve la extremidad.

En los próximos cinco a 10 años, es posible que esté disponible una nueva generación de prótesis de brazo mucho más sofisticadas y realistas, patrocinada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa. Dos prototipos diferentes que se mueven con la destreza de un miembro natural y teóricamente se pueden controlar de una forma igual de intuitiva--mediante las señales eléctricas registradas directamente en el cerebro--están comenzando las pruebas en humanos.

Los resultados iniciales de uno de estos estudios--las primeras pruebas en que un hombre paralítico ha controlado un brazo robótico con múltiples grados de libertad--se presentarán en la conferencia Sociedad para la Neurociencia en noviembre.

Los nuevos diseños disponen de unos 20 grados de movimiento independiente, un salto significativo respecto a las prótesis actuales, y pueden ser operados a través de una variedad de interfaces. Un dispositivo desarrollado por DEKA Research and Development puede ser controlado conscientemente mediante un sistema de palancas en un zapato.

En un enfoque más agresivo, pero también más intuitivo, los amputados se someten a cirugía para trasladar el resto de los nervios de sus extremidades perdidas a los músculos del pecho. Pensar en mover el brazo contracta los músculos del pecho, lo que a su vez mueve la prótesis. Sin embargo, este enfoque sólo funciona en aquellos con suficiente capacidad nerviosa restante, y proporciona un nivel de control limitado. Para aprovechar al máximo la destreza de estas prótesis, y conseguir moverlas como un brazo real, los científicos quieren conseguir que puedan ser controladas mediante señales cerebrales.

"Cuando cogemos un objeto, el cerebro sabe de forma automática que tiene que hacer girar la muñeca y mover los dedos", explica Michael McLoughlin, quien está supervisando el desarrollo de una de estas prótesis en el Laboratorio de Física Aplicada (APL, por sus siglas en inglés) de la Universidad Johns Hopkins. "Queremos crear un miembro diestro y obtener la capacidad de controlarlo de una manera natural, así como un cierto nivel de información táctil."

Durante los últimos cinco años se han estado llevando a cabo pruebas limitadas de los implantes neuronales en pacientes severamente paralizados. Hasta la fecha, aproximadamente cinco personas han sido implantadas con chips y han sido capaces de controlar un cursor en la pantalla de un ordenador, conducir una silla de ruedas, y abrir y cerrar una pinza en un brazo robótico muy simple. Otras pruebas más extensas en primates a los que se les ha implantado un chip cortical muestran que los animales pueden aprender a controlar una prótesis de brazo relativamente simple de forma que les sea útil, usándola para coger y comer un trozo de nube de azúcar.

"El próximo gran paso es preguntar, cuántas dimensiones se puede controlar?" , señala John Donoghue, neurocientífico de la Universidad de Brown, que desarrolla interfaces cerebro-odenador. "Coger un vaso de agua y acercárselo a la boca requiere alrededor de siete grados de libertad. Un brazo entero tiene del orden de 25 grados de libertad." El grupo de Donoghue, que ha supervisado anteriormente pruebas con pacientes con implantes corticales, dispone en este momento de dos voluntarios paralizados probando el brazo de DEKA. Unos investigadores del APL han desarrollado una segunda prótesis de brazo con un repertorio de movimientos posibles aún mayor y ya han solicitado permiso para comenzar los ensayos humanos. Su objetivo es comenzar a implantar a pacientes con lesiones de la médula espinal en el año 2011, en colaboración con científicos de la Universidad de Pittsburgh y del Caltech.

A los voluntarios de este estudio se les implantarán dos chips corticales diferentes, cada uno con 100 electrodos de grabación. Los científicos esperan que al doblar la capacidad de escuchar al cerebro se obtendrán suficientes señales independientes para permitir movimientos más complejos del brazo sofisticado de APL. "Éste es un brazo muy hábil y antropomorfo," destaca Andrew Schwartz, uno de los neurólogos implicados en el estudio. "El ancho de banda de información necesaria para controlar el dispositivo es mucho más alto."

Los investigadores de Pittsburgh también pondrán a prueba unos nuevos chips que combinan sistemas de telemetría, que procesarán parte de la información grabada en el chip antes de enviarla a un procesador implantado en el pecho. Seguidamente, el procesador controlará el brazo de forma inalámbrica. Las versiones actuales en uso en humanos y monos envían la información a través de unos cables que salen del cráneo, lo que aumenta el riesgo de infección a largo plazo. Si bien la nueva configuración será similar a la utilizada en los marcapasos y los dispositivos de estimulación cerebral profunda, una prótesis de brazo lleva a cabo funciones más complejas que un marcapasos y, por lo tanto, se requiere más información para controlarla. "No hay ningún dispositivo implantable con un sistema de telemetría capaz de transmitir este ancho de banda", afirma Schwartz. "Esta tecnología va a representar un gran paso adelante."

En última instancia, los investigadores de Pittsburgh tienen por objeto añadir también capacidad sensorial a los brazos mediante la incorporación de materiales que pueden detectar el calor y otras propiedades y transmitir esa información a un tercer chip implantado en la parte del cerebro que procesa los estímulos sensoriales.

Todavía no está claro cuál será el nivel de complejidad más alto en lo referrente al control del brazo. "Tenemos la esperanza de conseguir por lo menos 11 grados de libertad", indica Schwartz. Su equipo ha desarrollado unos algoritmos que pueden derivar siete grados de libertad de movimiento de los primates en tiempo real. "¿Cómo vamos a llegar hasta los 20 o 30? No lo sé, tal vez necesitaremos nuevos algoritmos, tal vez más electrodos", señala Schwartz.

Incluso si las pruebas tienen éxito, los investigadores se enfrentan a un gran reto; tienen que demostrar que el sistema invasivo de control cortical es significativamente mejor que los métodos no invasivos. Los amputados que usan la interfaz controlada mediante un zapato pueden coger cajas, operar un taladro, e incluso comer con palillos chinos. "Si usted fuera un amputado, pudiera hacer eso con un zapato espeial, ¿se haría implantar un sensor en el cerebro?" pregunta Donoghue. Podría tratarse de una cuestión de preferencia personal y del nivel de riesgo y de beneficio que cada persona está dispuesta a tolerar. "Es posible, porque es más natural y al mismo tiempo podría caminar y hacer otras cosas."

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