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Cerebro y cibernética: una unión que podría devolver el sentido del tacto a personas con daños medulares

por 4 noviembre, 2021

Cerebro y cibernética: una unión que podría devolver el sentido del tacto a personas con daños medulares
Un grupo de científicos de la Universidad de Pittsburgh intentó devolver el movimiento y el sentido del tacto a personas tetrapléjicas a través de un implante en el cerebro. El experimento, sacado casi de una película de ciencia ficción, podría ayudar enormemente a las personas que sufren pérdida motora y sensorial en todo el mundo. En la investigación se realizó una estimulación de la vía eferente, es decir la respuesta del sistema nervioso que se transporta por las neuronas motoras.
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En el año 1948, el brillante matemático estadounidense Norbert Wiener acuñó un término bastante novedoso al que denominó cibernética, la cual se define como una teoría interdisciplinar centrada en el estudio de las interrelaciones entre máquina y ser humano. Sin embargo, tras la publicación de su libro “Cibernética o control y comunicación en el animal y en la máquina”, lo más probable es que nunca haya pensado que la industria cinematográfica le daría un vuelco a este término, para crear a los cyborgs, que hace referencia a seres humanos con implantes electrónicos.

La pantalla grande nos ha dejado varios de estos híbridos como Robocop, Terminator, o incluso en los dibujos animados como el Inspector Gadget -probablemente el cyborg animado más famoso-. La idea principal de todos estos personajes era mejorar el cuerpo humano a través de la tecnología.

Como siempre, la ciencia se ha esforzado en sacarle provecho a estas historias de ciencia-ficción y ha intentado llevarlas a la vida cotidiana de todos nosotros. Técnicamente ya lo han estado logrando, pues basándonos solo en las definiciones del término, una persona con un implante coclear podría considerarse un cyborg, ya que, permite que alguien con discapacidad auditiva pueda escuchar a través de un micrófono externo conectado a su nervio auditivo.

Tal vez no suena tan emocionante como en las películas, ¿cierto? Sin embargo, un grupo de investigación liderado por Patrick Ganzer de la Universidad de Pittsburgh, buscó romper algunos límites y llevar mucho más allá las ventajas de la relación ciencia-cyborgs, intentando responder la pregunta: ¿será posible devolver el movimiento y el sentido del tacto en las manos a una persona tetrapléjica a través de un implante en su cerebro?

La ciencia del movimiento

Para entender la complejidad de lo que se estaban proponiendo los científicos, hay que entender cómo es que se produce el movimiento de tu cuerpo. El movimiento de cualquier extremidad se puede dividir en dos partes: la primera es la entrada de la información sensorial, y que es llevada a los centros donde se procesa esta información, que son el encéfalo y la médula. A esta parte se le denomina vía aferente. La segunda, consiste principalmente en la respuesta de nuestro sistema nervioso a este estímulo, lo cual es llevado por neuronas motoras, que conforman lo que se conoce como la vía eferente.

Ahora, el procesamiento de la función motora cambia dependiendo del tipo de movimiento que se ejecute, ya que, si es un acto reflejo, por ejemplo, cuando sacas la mano al momento de quemarte con la puerta del horno, la ejecución del movimiento no lleva un procesamiento mucho más profundo. Sin embargo, si el movimiento es voluntario, ahora entran en juego otras partes de nuestro cerebro, como lo es la corteza motora primaria (desde ahora M1).

M1 está interconectada con otras regiones cerebrales en dos sentidos. Por una parte, envía la información necesaria para poner en marcha los movimientos voluntarios y, por otro lado, recibe información sensorial desde diversos centros cerebrales que sirve como retroalimentación para mejorar la planificación y ejecución de los movimientos. Por lo tanto, los científicos se centraron en esta zona para su investigación.

Los investigadores ya habían comenzado a estudiar esto desde hace algunos años atrás. En un estudio previo, consiguieron los permisos necesarios para poder implantar un set de electrodos en M1 a una persona tetrapléjica. Este set de electrodos estaba conectado a un computador, creando una interfaz cerebro-computador (ICC desde ahora) que podía detectar las señales del cerebro y a través de una banda eléctrica conectada a su antebrazo, desde el computador mandar diferentes patrones de corrientes para ejecutar los diferentes movimientos que la persona quería hacer con su mano izquierda. Por lo tanto, los investigadores habían logrado recuperar la vía eferente del participante a través de un computador y un set de electrodos en su cerebro. Sin embargo, ahora faltaba la parte más difícil.

El desafío: recuperar la señal sensorial y decodificarla

A partir de este punto, la investigación se basó en evidencias previas que mostraban una “señal sensorial residual” en el cerebro de pacientes parapléjicos y tetrapléjicos. Estas señales eran un aumento en la actividad de algunas partes del cerebro al momento de estimular zonas que los participantes no debían sentir, lo que indica que, a pesar de perder el sentido del tacto, las personas con pérdida sensorial aún reciben pequeñas señales de la vía aferente en su cerebro. Para estudiar si el set de electrodos en M1 recibía estas señales residuales, es que se estimuló eléctricamente al paciente en su dedo medio e índice. Cuando se realizó la estimulación el participante no la podía sentir, mientras que se pudo constatar un pequeño aumento de la actividad en M1 (cabe destacar que para todos los experimentos la persona estaba vendada para no ver el momento de la estimulación).

Con las señales sensoriales residuales detectadas en M1, el siguiente paso fue intentar traducir estas señales para que el individuo las pudiera sentir. Para este propósito, se sacó ventaja de la ICC, y también que la estimulación en cada dedo presenta un patrón específico de activación de los electrodos en M1. Por lo tanto, los científicos entrenaron al computador con una técnica llamada machine learning, para que este dispositivo pudiera reconocer qué dedo se estaba estimulando, basándose solo en el patrón de activación de los electrodos. Después de cinco meses de entrenamiento se pudo constatar que la ICC fue capaz de reconocer cada dedo con un porcentaje de aciertos sobre el 80%. Más aún, entrenaron a la ICC para que pudiera reconocer cuando el participante estuviera tocando un objeto material, en donde el computador podía reconocer casi en un 90% las veces que ocurría. Increíble, ¿cierto? A esto lo denominaron decodificador táctil.

Con el fin de trasladar la información adquirida por la ICC a la persona, el grupo de investigación conectó un sistema de retroalimentación al bíceps del participante (esto, ya que el individuo puede sentir las estimulaciones que provienen de aquí), el cual mandaba diferentes patrones de señales eléctricas dependiendo de los dedos que se estimulaban y estas señales solo eran enviadas si el decodificador táctil se activaba.

Cuando el participante estaba conectado a todo este sistema, podía sentir el 100% de las veces que su mano estaba tocando un objeto, lo que no pasaba si el sistema de retroalimentación estaba desactivado. Ya con estos resultados, los investigadores habían logrado algo totalmente novedoso y un poco impensado. No obstante, querían llegar un poco más lejos y se preguntaron si era posible que el participante pudiera manejar todo este sistema de manera voluntaria, es decir, manejar él mismo el movimiento de su mano.  Este paso no era para nada sencillo, pues como se mencionó previamente, el movimiento de una mano se divide en dos pasos, por lo tanto, la ICC debía ser capaz de separar la señal unificada que recibía del cerebro en una señal sensorial (la retroalimentación conectada al bíceps) y una señal motora (la banda eléctrica conectada en el antebrazo).

Para evaluar la capacidad que tenía todo este sistema de poder ser manejado por el individuo, es que se pidió al participante que realizará un experimento de “toma y agarre”, el cual ha sido demostrado que permite estudiar por separado las vías sensorial y motora. Este procedimiento consistía en que la persona debía agarrar con su mano un cilindro, levantarlo, moverlo unos 20 centímetros y dejarlo en una marca.



Increíblemente, cuando todo este sistema ICC sensoriomotor estaba activado, el participante era capaz de realizar esta tarea por su cuenta, produciendo lo que ocurre en un movimiento natural, es decir, siempre se activaba primero el decodificador táctil (parte sensorial), y unos segundos después el decodificador motor (movimiento). No solo eso, sino que también pudo sujetar el cilindro con diferentes intensidades de agarre.

Con esta serie de experimentos, este grupo de investigación logró devolver el movimiento y el sentido táctil a una persona tetrapléjica a través de una ICC sensoriomotora, lo que es un importante avance para las personas que sufren perdida motora y sensorial en todo el mundo.

Los implantes electrónicos en humanos son una realidad

Los implantes cibernéticos en el cuerpo humano pasaron la barrera de las películas y ya no es ciencia-ficción, no solo por los avances científicos mencionados en este escrito, pues ya existen personas alrededor del mundo que se han hecho implantes electrónicos en su cuerpo. Por ejemplo, Neil Harbisson -reconocido como el primer cyborg de la historia- quien tiene un dispositivo implantado en su cráneo que transforma las frecuencias de color a sonido, con lo cual puede percibir mediante vibraciones los colores que nunca conoció debido a un problema en su visión. Finalmente, todo estos avances y descubrimientos científicos siempre nos terminan llevando hacia una discusión ética ¿Hasta dónde llega la esencia de lo humano, y cuáles son las líneas para protegerla?

 

Fuente: https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674%2820%2930347-0

*Este artículo surge del convenio con el Centro Interdisciplinario de Neurociencia de la Universidad de Valparaíso.

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