¿Podrían las extremidades protésicas algún día ser controladas por el pensamiento humano?



El poder del pensamiento, literalmente. Crédito: Kevin Craft

Durante casi dos décadas, el profesor de ingeniería eléctrica de Stanford Krishna Shenoy y los neurocientíficos en su Laboratorio traslacional de prótesis neuronales han estado trabajando en sensores cerebrales implantables que les permiten registrar y descifrar la actividad eléctrica de las neuronas que controlan el movimiento corporal.

El objetivo a largo plazo: construir prótesis que los amputados y las personas con parálisis puedan controlar con sus pensamientos.

Actualmente, el proceso de análisis de la actividad neuronal consume mucho tiempo y es laborioso. Pero en un artículo en la revista Neuron, Shenoy y su equipo revelan que han establecido una forma mucho más simple de estudiar el cerebro's actividad eléctrica. Sus hallazgos podrían algún día abrir la puerta a una nueva era de sensores cerebrales súper compactos, de baja potencia y potencialmente inalámbricos que llevarían las prótesis controladas por el pensamiento a un uso mucho más amplio.

En esencia, el equipo ha eludido el minucioso proceso actual de seguimiento de la actividad de las neuronas individuales en favor de la decodificación de la actividad neuronal en el agregado. Cada vez que una neurona se dispara envía una señal eléctrica,conocida como "pico", a la siguiente neurona en la línea. Es el tipo de comunicación intercelular que convierte una noción en la mente en contracción muscular en otras partes del cuerpo. "Cada neurona tiene su propia huella eléctrica y no hay dos idénticas", dice Eric Trautmann, investigador postdoctoral en el laboratorio de Shenoy y primer autor del artículo. "Pasamos mucho tiempo aislando y estudiando la actividad de las neuronas individuales".

Los neurocientíficos llaman a ese proceso "clasificación de espigas", y debe hacerse para cada neurona en cada experimento, un esfuerzo que consume muchos miles de horas de tiempo de investigador cada año y solo consumirá más tiempo a medida que los científicos construyan implantes con un mayor número de electrodos. De hecho, los investigadores estiman que los sensores tendrán 1.000 o más electrodos, frente a los 100 actuales, momento en el que un neurocientífico tardaría 100 horas o más en clasificar los picos a mano para cada experimento.

Para registrar la actividad de varias neuronas sin la complejidad de la clasificación de picos, los investigadores tomaron prestada una teoría de las estadísticas que sugerían cómo podían descubrir patrones de actividad cerebral incluso cuando se registran varias neuronas en un solo electrodo. Luego demostraron su enfoque experimentalmente. Utilizaron un nuevo tipo de electrodo que fue diseñado para captar señales cerebrales en ratones, y adaptaron esta tecnología para registrar las señales cerebrales de los monos rhesus. Registraron cientos de neuronas al mismo tiempo y demostraron que podían obtener un retrato preciso de la actividad cerebral del mono sin clasificar los picos.

Los investigadores creen que su trabajo conducirá en última instancia a implantes neuronales que utilizan una electrónica más simple para rastrear más neuronas que nunca, y también lo hacen con mayor precisión. La clave es combinar sus nuevos y sofisticados algoritmos de muestreo con estos pequeños electrodos. Hasta ahora, estos electrodos pequeños solo se han empleado para controlar dispositivos simples como un mouse de computadora. Pero la combinación de este hardware para registrar las señales cerebrales con los algoritmos de muestreo crea nuevas posibilidades. Los investigadores podrían ser capaces de desplegar una red de electrodos pequeños a través de secciones más grandes del cerebro, y utilizar los algoritmos para muestrear un gran número de neuronas. Esto podría ofrecer suficiente información precisa de la señal cerebral para controlar una mano protése capaz de movimientos rápidos y precisos como lanzar una pelota de béisbol o tocar el violín.

Mejor aún, dijo Trautmann, los nuevos electrodos, junto con los algoritmos de muestreo, eventualmente deberían ser capaces de registrar la actividad cerebral sin los muchos cables necesarios hoy en día para transportar señales desde el cerebro a cualquier computadora que controle la prótesis. La funcionalidad inalámbrica desequiparía completamente a los usuarios de las computadoras voluminosas necesarias para decodificar la actividad neuronal hoy en día.

"Este estudio tiene un mensaje un poco esperanzador en el sentido de que observar la actividad en el cerebro resulta ser más fácil de lo que esperábamos inicialmente", dice Shenoy, profesor de ingeniería de Hong Seh y Vivian W.M. Lim, y autor principal del artículo.

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