Agregue un toque suave a las extremidades protésicas con estimulación somatosensorial

Cuando Nathan Copeland sufrió un accidente automovilístico en 2004, el daño a su médula espinal en el nivel C5 / C6 resultó en parálisis tetrapléjica. Esto lo dejó inicialmente a la edad de 18 años para reflexionar sobre la vida sin el uso de sus brazos o piernas, hasta que fue seleccionado en 2014 para un estudio en la Universidad de Pittsburgh sobre el dominio de un miembro robot que usa nada más que la mente. y BCI.

Si bien este enfoque, como se replica en varios otros estudios, funciona bastante bien para tareas simples, tiene la principal advertencia de que, aunque es posible controlar esta extremidad robótica, no hay reacciones de ella. Normalmente, cuando intentamos capturar un objeto con la mano, por ejemplo, nos damos cuenta del movimiento de nuestro brazo y mano, hasta el momento en que nuestros dedos tocan el objeto al que apuntamos.

En el caso de estas extremidades robóticas, la única forma de reacción era de tipo visual, donde el usuario tenía que mirar el brazo y corregir su acción en base a la observación de su posición. Obviamente, esto está lejos de ser ideal, por lo que a Nathan no solo se le implantaron tabletas de Utah que leen en voz alta su corteza motora, sino que también establece eso vinculado a su corteza somatosensorial.

Como se cubre en un artículo de Flesher et al. En la naturaleza, al estimular la corteza somatosensorial, Nathan a lo largo de los años ha recuperado gran parte de la sensación en sus brazos y manos, a pesar de que ahora son miembros robóticos. Esto plantea la cuestión de cuán complicado es este enfoque y si podemos esperar que pronto se convierta en una característica común de las prótesis.

Conecte el BCI para continuar

Dibujo de mesa Utah de la patente de Richard Normann. Esta parte va a tu cerebro.

En el núcleo de estas prótesis controladas por el cerebro se encuentra la interfaz cerebro-computadora (BCI). Esta es básicamente la interfaz entre las neuronas cerebrales y la electrónica que interactúa con estas neuronas, ya sea leyendo las señales capturadas por el dispositivo sensorial implantado en el cerebro o enviándole señales. Aquí, el tipo más utilizado es la llamada matriz de Utah. Se trata de una matriz de microelectrodos con muchos electrodos pequeños, cada uno de los cuales captura parte de la actividad eléctrica en el cerebro o permite la estimulación de neuronas cercanas a ese electrodo específico.

Aunque es posible capturar la acción del cerebro a través del cráneo sin abrirlo, la regla general aquí es que para obtener la mejor resolución de la señal, uno quiere acercarse lo más cerca posible a la acción. Una segunda regla es que los electrodos cada vez más pequeños (en general) igualan una mejor señal y resolución, lo que nos da una mejor idea de lo que está sucediendo en una parte específica del cerebro.

Obviamente, el simple hecho de bloquear algunos electrodos en el cerebro y conectarlos a algunos componentes electrónicos probablemente no producirá resultados muy significativos: para estos diminutos electrodos, el cerebro es un mundo muy grande, con innumerables impulsos eléctricos. Un paso crucial es percibir la señal en estos ruidos fuertes que se leen, para poder saber cuándo, p. Ej. El paciente quiere levantar el brazo protésico o abrir o cerrar la mano.

De manera similar, si bien la corriente se puede inyectar completamente en partes aleatorias del cerebro, el objetivo general es provocar una sensación específica en lugar de atacar a las neuronas. En el caso de Nathan, el objetivo ideal era vincular, por ejemplo, la presión de la mano izquierda de la mano del robot con el área del "dedo izquierdo" en la región somatosensorial del cerebro de Nathan.

Aproximación imperfecta

Cuando hablamos de "tacto", para los seres humanos hay cuatro tipos diferentes de mecanorreceptores incrustados en la piel que son responsables de toda la gama de sensaciones relacionadas con el tacto:

  • Corpúsculos de Pacini (tacto áspero, superficies distintivas suaves / rugosas).
  • Corpúsculos táctiles (toque ligero y vibración moderada (10-50 Hz)).
  • Celda de Merkel terminaciones nerviosas (tacto profundo y quieto, vibraciones de 5-15 Hz).
  • Corpúsculos del bulbo (respuesta lenta, por ejemplo, estiramiento de la piel y deslizamiento de un objeto).
  • Diagrama esquemático que traza las vías por las que varios tipos de contacto conducen a posibles puntos finales en el cerebro humano.

    Esta gradación de diferentes tipos sensoriales muestra la complejidad de restaurar algo como el sentido del tacto; idealmente, uno no solo replicaría estos diferentes tipos de percepciones sensoriales, sino que también las transmitiría a la corteza somatosensorial para que sea apropiado ajustarla. dentro de las rutas de procesamiento existentes.

    Como se señaló en el comunicado de prensa de la Universidad de Pittsburgh sobre los resultados más recientes, el objetivo era proporcionar una reacción somatosensorial cuando había contacto entre la mano del robot, para permitir que el sujeto sintiera el momento del contacto, además de confirmar la acción. ver. Como el propio Nathan lo describió después de los experimentos, se sintió más como presión y tintineo en lugar de la sensación natural de "tacto" que recuerda antes del accidente que le causó la parálisis. A pesar de esto, pudo usar esta nueva reacción y usarla para mejorar su desempeño durante las pruebas estándar en comparación con cuando no se administró ninguna reacción somatosensorial.

    Testamento de la adaptación del cerebro

    Nathan Copeland (derecha) se reunió con el presidente Obama en 2016.

    Aunque la información sensorial experimentada por el cerebro de Nathan obviamente no fue la que recibió originalmente antes de los años intermitentes constantes, fue "lo suficientemente buena" como para permitirle a Nathan experimentar una mejora considerable en la calidad de vida simplemente por experimentar una sensación aproximadamente en el área de la 'mano'. de su corteza somatosensorial que podría estar relacionada con la acción cortical motora del movimiento del miembro robótico.

    Esto se confirma con estudios previos sobre p. Ej. El sentido de propiedad del cuerpo, así como el papel de la corteza de la isla en el seguimiento de las extremidades y la facilidad con la que se puede agregar una extremidad adicional, como el arte del "tercer pulgar". un proyecto (que manejamos anteriormente), donde se agregó un segundo pulgar a una mano y que los usuarios aprendieron a dominar con bastante naturalidad. Básicamente, parece que uno puede someter al cerebro humano a muchas situaciones "antinaturales", y encontrará una manera de adaptarse y mejorar las cosas.

    Basándonos en los resultados hasta la fecha, podríamos suponer razonablemente que agregar sensores táctiles incluso simples a las extremidades protésicas controladas por el cerebro podría ser una aceleración de la calificación de vida para aquellos que se encuentran en la posición de usar estas prótesis a diario. Érase una vez, incluso algún día podría ser la base para la selección de BCI, para ser utilizado en algún momento con el funcionamiento de ciertos tipos de maquinaria y herramientas con una precisión que va más allá de la manipulación de controles como joysticks y botones.

    Por supuesto, nada de esto importa si no podemos resolver el problema de la biocompatibilidad, razón por la cual Nathan podría tener que retirar pronto su BCI cuando expire la vida útil esperada de cinco años de los implantes de Utah.

    Historia de Cyborgs

    Nathan Copeland juega un juego de Pong usando su interfaz cerebro-computadora. Desafió al mono de Neuralink a un juego de Pong. (Crédito: Nathan Copeland)

    El campo de la cibernética (del griego κυβερνητική (kybernētikḗ), que significa “gobernanza”) implica la investigación y definición de procesos, tanto en las sociedades como en los sistemas biológicos. Siempre que sea posible, estos procesos se pueden mejorar o reparar, lo que a lo largo de los años ha llevado a los campos de la cibernética médica y la biología sistémica estrechamente relacionada a trabajar para encontrar formas de restaurar las funciones perdidas en el cuerpo, incluidas esencias como el reemplazo de corazón artificial y la biología sistémica. clonación de órganos utilizando las propias células madre del paciente.

    Las neuroprótesis como las que creó Nathan Copeland son implantes neuronales cibernéticos que tienen como objetivo restaurar el funcionamiento que se ha perdido debido a una enfermedad o accidente. Al combinar la cibernética y la ingeniería biomédica, el objetivo es identificar y resolver cualquier problema biológico y de ingeniería fundamental restante que impida la restauración del proceso natural.

    En el caso de miembros artificiales como un brazo y su mano, el número de números restantes es enorme. Es difícil vencer a los músculos biológicos y a un sistema nervioso que no solo conecta estos músculos a la corteza motora, sino también a los mecanorreceptores avanzados con la corteza somatosensorial con un nivel de detalle que aún no podemos esperar acercarnos.

    Cuando se reemplazan sistemas biológicos por sistemas artificiales, a menudo se le llama "cyborg" (un organismo cibernético), aunque la cibernética en sí misma no prefiere sistemas artificiales o biológicos. En cualquier caso, los problemas esenciales encontrados con la fusión de sistemas biológicos y no biológicos están en la capa de interfaz: los sistemas biológicos tienden a ser muy hostiles a los dispositivos implantados y los dañarán con el tiempo.

    El diablo está en la relación señal-ruido

    Anteriormente, analizamos las nuevas afirmaciones de Neuralink sobre las mejoras "revolucionarias" en BCI y los intercambios de datos bidireccionales entre el cerebro humano y los sistemas informáticos. En 2019, la conclusión fue básicamente que lo más emocionante que Neuralink trajo a la mesa fue su alternativa a la matriz de Utah, con una estructura de electrodo tridimensional que agrega grabaciones desde el interior del cerebro en lugar de solo la capa superior. En teoría, esto permite el acceso a muchos más datos en las cortezas.

    A pesar de esto, los datos registrados por estos electrodos aún no se han entendido. En el caso de Nathan Copeland, los investigadores utilizaron la sensación táctil residual en sus brazos y manos para identificar áreas para apuntar con estimulación somatosensorial, junto con el control muscular residual en sus hombros. Para los pacientes en los que no existe un funcionamiento residual, el proceso de calibración requerido sería mucho más lento. En el caso de averiguar qué partes de la corteza motora se asignan a algo tan complicado como los músculos faciales y los que hablan, el proceso sería aún más tedioso.

    La otra complicación es insertar los datos dentro y fuera del cerebro sin una cavidad constante en el cráneo, como es el caso de Nathan. Al igual que un pinchazo, debe mantenerlo estéril y evitar que la piel se dañe. Aunque interesante en un Matriz cualquier moda distópica de ciencia ficción, tener constantemente un enchufe en la cabeza y cables que van y vienen de las prótesis, es probablemente menos que ideal. Tal vez el cableado interno podría funcionar aquí, además de la obvia pesadilla médica aquí, o tal vez un receptor de radio inalámbrico como el propuesto por Neuralink.

    Al final, parece que, aunque la ciencia actual ofrece una visión de un futuro mejor para personas como Nathan, todavía estamos a muchas décadas de un futuro completo de las prótesis médicas.

Miguel Vidal
Miguel Vidal

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