Hace poco comentábamos los avances en el tratamiento de diferentes problemas de visión relacionados con algunas enfermedades oculares y los mecanismos empleados: la terapia génica y la biónica.  Ahora vamos a profundizar más en el segundo de estos mecanismos y el trabajo que están realizando numerosos científicos para conseguir otro hito importante: conseguir que personas con parálisis vuelvan a caminar.

El término biónica proviene de la raíz bio- «vida» y de la terminación de electró-nica,y es definida por la Real Academia Española de la Lengua como la aplicación del estudio de los fenómenos biológicos a la técnica de los sistemas electrónicos.  En otros términos, en el campo de la medicina, biónica significa la sustitución de órganos o miembros por versiones mecánicas.

Existen distintos tipos de prótesis en función del órgano o miembro afectado.  Por ejemplo, desde hace más de 50 años se vienen realizando implantes cocleares: consiste en la implantación quirúrgica de un aparato que transforma las señales acústicas en señales eléctricas que estimulan el nervio auditivo.  Estas señales eléctricas son procesadas a través de las diferentes partes de que consta el implante y que son tanto externas (colocadas fuera del cráneo y que comprenden un micrófono, un procesador y un transmisor) como internas (un receptor-estimulador y unos electrodos).

Del mismo modo, se emplean prótesis de brazos y piernas que reciben el nombre de prótesis neurales o biónicas (ahora que los científicos han acabado por aceptar el término popularizado por los escritores de ciencia ficción).  El mecanismo es relativamente sencillo sobre el papel: los miembros artificiales se acoplan al cuerpo mediante diferentes sistemas de sujeción y emplean los nervios que quedan tras una amputación para comunicarse con el cerebro de forma que éste puede controlarlos.

Los nervios, como parte del sistema nervioso periférico, conducen los impulsos eléctricos que conforman los estímulos desde los diferentes órganos al cerebro a través de la médula espinal.  Cuando alguien sufre la amputación de una pierna pero los nervios siguen intactos, es posible su reconexión mediante una técnica denominada “reinervación muscular dirigida” (targeted muscle reinnervation o TMR por sus siglas en inglés).  La técnica, desarrollada por el Dr. Todd  Kuiken, director del centro de medicina biónica del Instituto de Rehabilitación de Chicago, transfiere los nervios de la pierna o el brazo a los músculos adyacentes.  Cuando los nervios crecen en el músculo, éstos “piensan” como los músculos del pie o de la mano.  De esta forma, cuando el usuario de una prótesis piensa en contraer la mano, las contracciones del músculo son medidas por señales mioeléctricas que permiten que la mano protésica responda.  Es cierto que se necesita un intenso entrenamiento físico y mental para desarrollar todo el potencial, pero la mejora de estos sistemas con relación a las prótesis anteriores es abismal.

El poder de la mente

¿Y si fuéramos capaces de ir más allá?  Imaginemos una persona postrada en una cama debido a una tetraplejia (personalmente, me es difícil imaginar una situación más dura).  Acto seguido, imaginemos que esa misma persona se encuentra de pie frente a decenas de miles de espectadores y se encarga de hacer el saque de honor en el partido inaugural de la Copa Mundial de Fútbol a celebrar en Brasil el año que viene.  ¿Ciencia-ficción?

No.  Esta es la meta que se ha propuesto un grupo interdisciplinar de científicos encabezados por el brasileño Miguel Angelo Laporta Nicolelis que ha sido precursor, junto a sus colegas de la Universidad de Duke (en Durham, Carolina del Norte), de una técnica que permite implantar, por ahora en cerebros de ratas y monos, centenares de hilos conductores, finos como cabellos, formando microsondas.  Éstas pueden detectar señales eléctricas muy débiles (potenciales de acción), generadas por unos pocos cientos de neuronas que se encuentran repartidas por la corteza frontal y parietal de los animales en experimentación y que son responsables de la generación de movimientos voluntarios.

Para hacer realidad la hazaña sin precedentes de que una persona vuelva a andar, el paciente llevará un traje robótico ―un exoesqueleto― confeccionado a su medida.  Las señales motoras generadas por su cerebro serán enviadas a una mochila donde habrá un ordenador.  Este será el encargado de “traducir” las señales eléctricas cerebrales en órdenes concretas para los motores del exoesqueleto, a fin de que este, ante todo, estabilice el peso del paciente y, después, coordine sus movimientos en el campo hasta llegar y golpear el balón.

Un prototipo de este exoesqueleto se está construyendo ya en el laboratorio de Gordon Cheng de la Universidad Técnica de Múnich y fundador de Walk Again (camina de nuevo), un proyecto internacional sin ánimo de lucro cuyo principal objetivo es desarrollar y poner en práctica el primer interfaz cerebro-máquina (brain-machine interface) capaz de restablecer la plena movilidad de los pacientes afectados de un grado severo de parálisis.  Sus investigaciones han hecho posible que primates no humanos puedan utilizar la actividad eléctrica producida por cientos de neuronas, localizadas en varias regiones de su cerebro, para controlar directamente los movimientos de una gran variedad de dispositivos robóticos, incluyendo prótesis de brazos y de piernas.

Procedimiento complejo

Para que una persona sea capaz de mover con su mente un miembro robótico, es necesario en primer lugar establecer una comunicación directa con las neuronas encargadas de transmitir esa orden.  No solo será preciso ubicar electrodos o sensores en el interior de la caja craneana, sino que habrá que “leer” simultáneamente una gran cantidad de neuronas.  Muchos de estos sensores serán implantados en la corteza motora, la región del lóbulo frontal asociada con la generación de movimientos voluntarios, cuyas neuronas controlan y coordinan directamente el trabajo de nuestros músculos.

Acto seguido y una vez traducidos dichos impulsos eléctricos, habrán de ser retransmitidos al exoesqueleto para que se activen los diferentes actuadores y componentes mecánicos.  Por último, y no menos importante, es preciso que exista un bucle, una retroalimentación con información del tacto, la fuerza, equilibrio etc. para que el cerebro del paciente sea capaz de adaptarse y modificar continuamente los impulsos que debe emitir.

Gary Lehew, colaborador de Nicoelis en la Universidad de Duke, ha ideado un nuevo tipo de sensor: un cubo de registro (debidamente patentado en Estados Unidos) que, una vez implantado, puede reconocer señales de un volumen tridimensional de la corteza.  A diferencia de los anteriores sensores compuestos por matrices planas de microelectrodos, cuyas puntas reciben las señales eléctricas neuronales, este dispositivo extiende microfilamentos hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados, recogiendo información por tanto de forma tridimensional.  Esto significa que cada cubo podría, en principio, captar la actividad eléctrica de entre 4.000 y 6.000 neuronas.  El objetivo consiste en implantar varios de estos sensores para disponer de datos simultáneos de decenas de miles de neuronas.

Para poder manejar la abundante cantidad de datos que genera este dispositivo, los investigadores avanzan en el diseño de microcircuitos que, implantados junto a los microelectrodos, envíen la información al exoesqueleto.  Para este cometido, Tim Hanson ha construido un sistema de registro inalámbrico que permite enviar las ondas cerebrales hasta un receptor remoto.  De esta forma, los datos procedentes de los sistemas de registro se transmitirán inalámbricamente a un ordenador alojado en una mochila, donde varios procesadores digitales ejecutarán unos algoritmos que traducirán las señales neuronales en órdenes aptas para controlar los elementos móviles, o actuadores, repartidos por las articulaciones del exoesqueleto y que ajustarán la posición de las extremidades artificiales.

Por último, como ya hemos avanzado, el paciente no solo ha de moverse, sino también sentir el suelo que pisa o la fuerza que ejerce con las manos.  El exoesqueleto reproducirá un sentido del tacto y equilibro incorporando sensores microscópicos que, por una parte, detecten la cantidad de fuerza de cada movimiento concreto y, por otra, envíen la información del traje al cerebro para su procesamiento.

El equipo de Nicoelis ha logrado ya un avance decisivo en este campo al lograr que dos monos aprendan a ejercer un control neuronal de los movimientos de un brazo creado por ordenador, que no solo toca objetos del mundo virtual, sino que suministra también una realimentación “táctil artificial” directamente al cerebro de cada simio.  Mediante entrenamiento, esta estimulación reactiva del cerebro gracias a los sensores instalados en el exoesqueleto deberían posibilitar una caminata sin tropiezos bastante similar a la que podemos hacer cualquiera de nosotros todos los días.

Otras aplicaciones

Una vez que se controle a la perfección el proceso de envío de las señales cerebrales a un dispositivo para su tratamiento digital y su conversión en órdenes mecánicas, el abanico de posibilidades de esta tecnología se abrirá en todo su esplendor.  Ya no solo será posible que un humano con una lesión severa pueda volver a caminar y realizar una tarea tan cotidiana como vestirse, sino que permitirá la manipulación de robots enviados a ambientes donde un humano jamás podría o debería penetrar directamente: sería posible dirigir la actividad de un operario humanoide para reparar los daños sufridos tras un accidente nuclear como el que tuvo lugar en Fukushima.

Más aún, podríamos controlar herramientas que ejerzan fuerzas mucho mayores, o mucho más livianas, de lo que nuestros cuerpos son capaces, liberando así de las limitaciones ordinarias la cantidad de fuerza que un individuo puede desarrollar.

Quizás algún día se haga realidad la visión que James Cameron plasmó en su película Avatar y podamos maniobrar a distancia robots de cualquier tamaño y, tal vez, enviarlos a otros cuerpos celestes para que realicen los trabajos que nosotros no podemos o queremos llevar a cabo.

Referencias

Kuiken, T. A., Dumanian, G. A., Lipschutz, R. D., Miller, L. A., & Stubblefield, K. A. (2004). The use of targeted muscle reinnervation for improved myoelectric prosthesis control in a bilateral shoulder disarticulation amputee Prosthetics and Orthotics International, 28 (3), 245-253 : 10.3109/03093640409167756

En este artículo se describe el novedoso método para controlar una prótesis mioeléctrica de las extremidades superiores que se logró en un paciente con amputaciones bilaterales a nivel de los hombros.  Se empleó la técnica de “reinervación muscular dirigida” gracias a la cual el paciente podía controlar simultáneamente dos movimientos con la prótesis experimental, tanto del codo como  de la muñeca.  El paciente manifestó que prefería claramente la nueva prótesis al indicar que era más fácil y rápida de utilizar, y la consideraba más natural.

O’Doherty JE, Lebedev MA, Ifft PJ, Zhuang KZ, Shokur S, Bleuler H, & Nicolelis MA (2011). Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature, 479 (7372), 228-31 PMID: 21976021

En este artículo se demuestra el funcionamiento de una interfaz cerebro-máquina-cerebro (BMBI por sus siglas en inglés) que controla tanto los movimientos exploratorios de un actuador como permite la realimentación táctil artificial mediante la microestimulatión intracortical de la corteza somatosensorial primaria.

Lebedev MA, & Nicolelis MA (2006). Brain-machine interfaces: past, present and future. Trends in neurosciences, 29 (9), 536-46 PMID: 16859758

Velliste, M., Perel, S., Spalding, M., Whitford, A., & Schwartz, A. (2008). Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding Nature, 453 (7198), 1098-1101 DOI: 10.1038/nature06996

Matsuoka Y, Afshar P, & Oh M (2006). On the design of robotic hands for brain-machine interface. Neurosurgical focus, 20 (5) PMID: 16711660

Hatsopoulos, N., & Donoghue, J. (2009). The Science of Neural Interface Systems Annual Review of Neuroscience, 32 (1), 249-266 DOI: 10.1146/annurev.neuro.051508.135241

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