Implante cerebral

Los implantes cerebrales , a menudo denominados implantes neuronales , son dispositivos tecnológicos que se conectan directamente al cerebro de un sujeto biológico , generalmente colocados en la superficie cerebral o adheridos a la corteza cerebral . Un objetivo común de los implantes cerebrales modernos y el foco de gran parte de la investigación actual es establecer una prótesis biomédica que sustituya las áreas del cerebro que se han vuelto disfuncionales tras un accidente cerebrovascular u otras lesiones craneales . ^{[ 1 ]} Esto incluye la sustitución sensorial , por ejemplo, en la visión . Otros implantes cerebrales se utilizan en experimentos con animales simplemente para registrar la actividad cerebral con fines científicos. Algunos implantes cerebrales implican la creación de interfaces entre sistemas neuronales y chips informáticos . Este trabajo forma parte de un campo de investigación más amplio llamado interfaces cerebro-computadora . (La investigación en interfaces cerebro-computadora también incluye tecnologías como los conjuntos de EEG , que permiten la interfaz entre la mente y la máquina, pero no requieren la implantación directa de un dispositivo).

Los implantes neuronales, como la estimulación cerebral profunda y la estimulación del nervio vago, se están convirtiendo cada vez más en un tratamiento habitual para pacientes con enfermedad de Parkinson y depresión clínica , respectivamente.

Los implantes cerebrales estimulan eléctricamente, bloquean ^{[ 2 ]} o registran ^{[ 3 ]} (o registran y estimulan simultáneamente ^{[ 4 ]} ) señales de neuronas individuales o grupos de neuronas ( redes neuronales biológicas ) en el cerebro. Esto solo es posible cuando se conocen aproximadamente las asociaciones funcionales de estas neuronas. Debido a la complejidad del procesamiento neuronal y la falta de acceso a señales relacionadas con el potencial de acción mediante técnicas de neuroimagen , la aplicación de implantes cerebrales se ha visto seriamente limitada hasta los recientes avances en neurofisiología y capacidad de procesamiento informático. También se está investigando mucho sobre la química de la superficie de los implantes neuronales con el fin de diseñar productos que minimicen todos los efectos negativos que un implante activo puede tener en el cerebro y que el cuerpo puede tener en la función del implante. Los investigadores también están explorando diversos sistemas de administración, como el uso de venas, para administrar estos implantes sin cirugía cerebral; al mantener el cráneo sellado, los pacientes podrían recibir sus implantes neuronales sin correr un riesgo tan elevado de convulsiones, accidentes cerebrovasculares o daños neuronales permanentes, todos los cuales pueden ser causados ​​por la cirugía cerebral abierta. ^{[ 5 ]}

La investigación en sustitución sensorial ha experimentado un progreso significativo desde 1970. Especialmente en el ámbito de la visión, gracias al conocimiento del funcionamiento del sistema visual , se han aplicado implantes oculares (que a menudo incluyen implantes cerebrales o sistemas de monitorización) con resultados exitosos. En cuanto a la audición , se utilizan implantes cocleares para estimular directamente el nervio auditivo. El nervio vestibulococlear forma parte del sistema nervioso periférico , pero su interfaz es similar a la de los implantes cerebrales propiamente dichos.

Múltiples proyectos han demostrado el éxito en el registro de la actividad cerebral de animales durante largos períodos de tiempo. Ya en 1976, investigadores del NIH liderados por Edward Schmidt realizaron registros de potenciales de acción de señales de la corteza motora de monos rhesus utilizando electrodos fijos en forma de "alfiler de sombrero" ^{[ 6 ]} , incluyendo registros de neuronas individuales durante más de 30 días y registros consistentes durante más de tres años con los mejores electrodos.

Los electrodos en forma de "alfiler" estaban hechos de iridio puro y aislados con parileno , materiales que se utilizan actualmente en la implementación cibercinética del conjunto de Utah. ^{[ 7 ]} Estos mismos electrodos, o derivados de los mismos que utilizan los mismos materiales de electrodo biocompatibles, se utilizan actualmente en laboratorios de prótesis visuales, ^{[ 8 ]} laboratorios que estudian las bases neuronales del aprendizaje, ^{[ 9 ]} y enfoques de prótesis motoras distintos de las sondas cibercinéticas. ^{[ 10 ]}

Otros grupos de laboratorio producen sus propios implantes para proporcionar capacidades únicas que no están disponibles en los productos comerciales. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Los avances incluyen: estudios del proceso de reconfiguración funcional del cerebro a lo largo del aprendizaje de una discriminación sensorial, ^{[ 15 ]} control de dispositivos físicos por cerebros de ratas, ^{[ 16 ]} monos sobre brazos robóticos, ^{[ 17 ]} control remoto de dispositivos mecánicos por monos y humanos, ^{[ 18 ]} control remoto sobre los movimientos de cucarachas , ^{[ 19 ]} el primer uso reportado de la matriz de Utah en un humano para señalización bidireccional. ^{[ 20 ]} Actualmente, varios grupos están realizando implantes preliminares de prótesis motoras en humanos. Estos estudios están actualmente limitados a varios meses por la longevidad de los implantes. La matriz ahora forma el componente sensor del Braingate .

También se están realizando numerosas investigaciones sobre la química superficial de los implantes neuronales con el fin de diseñar productos que minimicen todos los efectos negativos que un implante activo pueda tener en el cerebro y que el cuerpo pueda tener en el funcionamiento del implante.

Otro tipo de implante neuronal con el que se está experimentando son los chips de silicio de memoria neuronal protésica , que imitan el procesamiento de señales que realizan las neuronas en funcionamiento y que permite al cerebro humano crear recuerdos a largo plazo.

Para implantes, incluyendo potencialmente implantes cerebrales, los dispositivos totalmente orgánicos podrían ser ventajosos porque podrían ser biocompatibles . ^{[ 21 ]} Si los dispositivos neuromórficos orgánicos llegan a ese punto, "los implantes podrían permitir a los humanos controlar exoesqueletos motorizados", por ejemplo. ^{[ 21 ]} Las neuronas modificadas genéticamente pueden permitir la conexión de componentes externos , como extremidades protésicas, a los nervios. ^{[ 22 ]} También hay investigación sobre neuronas artificiales físicas potencialmente implantables . ^{[ 23 ]}

Se están realizando investigaciones sobre posibles implantes para la administración de fármacos al cerebro . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

En 2016, científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign anunciaron el desarrollo de pequeños sensores cerebrales para su uso en el monitoreo postoperatorio, que se disuelven cuando ya no son necesarios. ^{[ 26 ]}

En 2020, científicos de la Universidad de Melbourne , quienes fundaron la empresa Synchron en 2016, publicaron datos clínicos relacionados con un descubrimiento sobre Stentrode , un dispositivo implantado a través de la vena yugular , sin necesidad de cirugía cerebral abierta. Se demostró que la tecnología permitía a dos pacientes controlar una computadora solo con el pensamiento. En última instancia, podría ayudar a diagnosticar y tratar diversas patologías cerebrales, como la epilepsia y la enfermedad de Parkinson . ^{[ 27 ]} En 2023, los investigadores no reportaron eventos adversos graves durante el primer año en los cuatro pacientes que utilizaron el dispositivo para operar una computadora. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Los neuroestimuladores se utilizan desde 1997 para aliviar los síntomas de enfermedades como la epilepsia , la enfermedad de Parkinson , la distonía y, más recientemente, la depresión . Los rápidos avances en las tecnologías de neuroestimulación están proporcionando alivio a un número sin precedentes de pacientes afectados por trastornos neurológicos y psiquiátricos debilitantes. Las terapias de neuroestimulación incluyen enfoques invasivos y no invasivos que implican la aplicación de estimulación eléctrica para controlar la función neuronal dentro de un circuito.

DARPA también está investigando los implantes cerebrales como parte del programa de Tecnología de Interfaz Neuronal Confiable (RE-NET), lanzado en 2010 para abordar directamente la necesidad de interfaces neuronales de alto rendimiento que controlen las funciones diestras que permiten las prótesis avanzadas de DARPA. El objetivo es proporcionar una interfaz de control intuitiva y de alto ancho de banda para estas prótesis.

Entre las personas y empresas que exploran la interfaz cerebro-computadora se encuentran: Elon Musk , Bill Gates , Mark Zuckerberg , Jeff Bezos , Neuralink, CTRL Labs y Synchron.

Los implantes cerebrales actuales se fabrican con diversos materiales como tungsteno , silicio , platino - iridio o incluso acero inoxidable . Los futuros implantes cerebrales podrían utilizar materiales más innovadores, como nanofibras de carbono ( nanotubos ) y poliuretano de policarbonato . Casi todos los implantes requieren cirugía cerebral abierta, pero en 2019, una empresa llamada Synchron logró implantar con éxito una interfaz cerebro-computadora a través de los vasos sanguíneos.

Se han producido varios avances tecnológicos en el tratamiento de las lesiones de la médula espinal , incluido el uso de implantes que proporcionan un "puente digital" entre el cerebro y la médula espinal. En un estudio publicado en mayo de 2023 en la revista Nature , investigadores suizos describieron implantes que permitieron a un hombre de 40 años, paralizado de las caderas hacia abajo durante 12 años, ponerse de pie, caminar y subir una rampa empinada con la única ayuda de un andador. Más de un año después de la implantación, ha conservado estas capacidades y podía caminar con muletas incluso cuando el implante estaba apagado. ^{[ 51 ]} Resulta que caminar con el implante ha fomentado la recuperación de la función neurológica más allá de lo que había logrado la rehabilitación tradicional previa. ^{[ 52 ]}

En 1870, Eduard Hitzig y Gustav Fritsch demostraron que la estimulación eléctrica del cerebro de los perros podía producir movimientos. Robert Bartholow demostró que lo mismo ocurría en humanos en 1874. A principios del siglo XX, Fedor Krause comenzó a mapear sistemáticamente las áreas del cerebro humano, utilizando pacientes que se habían sometido a cirugía cerebral .

En la década de 1950 se llevaron a cabo investigaciones destacadas. Robert G. Heath experimentó con pacientes psiquiátricos, con el objetivo de influir en el estado de ánimo de sus sujetos mediante estimulación eléctrica. ^{[ 53 ]}

El fisiólogo de la Universidad de Yale, José Delgado, demostró un control limitado del comportamiento de animales y humanos mediante estimulación electrónica. Inventó el estimoceptor o estimulador transdérmico , un dispositivo que se implanta en el cerebro para transmitir impulsos eléctricos que modifican comportamientos básicos como la agresión o las sensaciones de placer.

Más tarde, Delgado escribiría un libro popular sobre el control mental, titulado Control físico de la mente , en el que afirmaba: «Se ha demostrado la viabilidad del control remoto de actividades en varias especies de animales [...] El objetivo final de esta investigación es comprender los mecanismos implicados en el control direccional de los animales y proporcionar sistemas prácticos adecuados para su aplicación en humanos».

En la década de 1950, la CIA también financió investigaciones sobre técnicas de control mental , a través de programas como MKULTRA . Quizás debido a que recibió financiación para algunas investigaciones a través de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU ., se ha sugerido (aunque no probado) que Delgado también recibió apoyo de la CIA. Negó esta afirmación en un artículo de 2005 en Scientific American , describiéndola simplemente como una especulación de teóricos de la conspiración. Afirmó que su investigación solo tenía una motivación científica progresiva para comprender cómo funciona el cerebro.

La investigación actual se centra en capacitar a los pacientes paralizados para que puedan mover dispositivos externos mediante el pensamiento, así como en facilitar la capacidad de convertir el pensamiento en texto en esta población.

En 2012, un estudio histórico publicado en Nature, liderado por la pionera Leigh Hochberg , MD, PhD, demostró que dos personas con tetraplejia podían controlar brazos robóticos mediante el pensamiento al conectarse al sistema de interfaz neuronal BrainGate. ^{[ 54 ]} Los dos participantes pudieron alcanzar y agarrar objetos en el espacio tridimensional, y una de ellas utilizó el sistema para servirse café por primera vez desde que quedó paralizada casi 15 años antes.

En octubre de 2020, dos pacientes pudieron controlar de forma inalámbrica una Surface Book 2 con Windows 10 para enviar mensajes de texto, correos electrónicos, comprar en línea y realizar operaciones bancarias mediante el pensamiento directo a través de la interfaz cerebro-computadora Stentrode. ^{[ 55 ]} Esta fue la primera vez que se implantó una interfaz cerebro-computadora a través de los vasos sanguíneos del paciente, eliminando la necesidad de una cirugía cerebral abierta.

Entre las cuestiones éticas que se plantean se incluyen quiénes son buenos candidatos para recibir implantes neuronales y cuáles son los usos buenos y malos de estos implantes. Si bien la estimulación cerebral profunda se está convirtiendo cada vez más en una práctica habitual para pacientes con enfermedad de Parkinson, pueden existir algunos efectos secundarios conductuales. En la literatura se describen posibles casos de apatía, alucinaciones, ludopatía, hipersexualidad, disfunción cognitiva y depresión. Sin embargo, estos efectos pueden ser temporales y estar relacionados con la correcta colocación y calibración del estimulador, por lo que son potencialmente reversibles. ^{[ 56 ]}

Algunos transhumanistas , como Ray Kurzweil y Kevin Warwick , consideran los implantes cerebrales como parte del siguiente paso en el progreso y la evolución humana , mientras que otros, especialmente los bioconservadores , los ven como algo antinatural , que implica la pérdida de cualidades humanas esenciales . Esto genera controversia, similar a la de otras formas de mejora humana . Por ejemplo, se argumenta que los implantes convertirían técnicamente a las personas en organismos cibernéticos ( cíborgs ). Asimismo, se espera que toda investigación cumpla con la Declaración de Helsinki . Además, se aplican las obligaciones legales habituales, como la de informar a la persona que lleva los implantes y que estos sean voluntarios, con muy pocas excepciones.

Otras preocupaciones se refieren a las vulnerabilidades de los implantes neuronales ante el cibercrimen o la vigilancia intrusiva, ya que podrían ser pirateados, mal utilizados o diseñados incorrectamente. ^{[ 57 ]}

Sadja afirma que "los pensamientos privados de una persona son importantes y deben protegerse" y no considera buena idea simplemente encomendar al gobierno o a cualquier empresa la protección de los mismos. Walter Glannon, neuroeticista de la Universidad de Calgary, señala que "existe el riesgo de que los microchips sean pirateados por terceros" y que "esto podría interferir con la intención del usuario de realizar acciones y violar la privacidad al extraer información del chip". ^{[ 58 ]}

Los implantes cerebrales forman parte de la cultura moderna, pero ya existían referencias filosóficas relevantes que se remontan a René Descartes .

En sus Meditaciones de 1641 , Descartes argumentó que sería imposible saber si todas las experiencias aparentemente reales de una persona eran, de hecho, producidas por un demonio maligno empeñado en engañarla. Una variante moderna del argumento de Descartes la proporciona el experimento mental del " cerebro en una cubeta ", que imagina un cerebro, mantenido separado de su cuerpo en una cubeta de nutrientes y conectado a una computadora capaz de estimularlo de tal manera que produzca la ilusión de que todo es normal. ^{[ 59 ]}

La ciencia ficción popular que abordaba los implantes cerebrales y el control mental se extendió en el siglo XX, a menudo con una perspectiva distópica. La literatura de la década de 1970 profundizó en el tema, incluyendo *El hombre terminal* de Michael Crichton , donde un hombre con daño cerebral recibe un implante cerebral experimental diseñado para prevenir convulsiones, el cual él utiliza indebidamente para provocarlas por placer. Otro ejemplo es la ciencia ficción de Larry Niven sobre seres con cabezas de alambre en sus historias de " Espacio Conocido ".

En la novela Michaelmas de Algis Budrys , publicada en 1976 , se observa una visión algo más positiva de los implantes cerebrales utilizados para comunicarse con un ordenador como una forma de inteligencia aumentada .

El temor a que el gobierno y el ejército hagan un mal uso de la tecnología es un tema recurrente desde el principio. En la serie de la BBC de 1981, The Nightmare Man, el piloto de un minisubmarino de alta tecnología está conectado a su nave mediante un implante cerebral, pero se convierte en un asesino despiadado tras arrancárselo.

Quizás la novela más influyente que explora el mundo de los implantes cerebrales sea Neuromancer , de William Gibson , publicada en 1984. Esta fue la primera novela de un género que llegó a conocerse como " ciberpunk ". Narra la historia de un hacker informático en un mundo donde los mercenarios son mejorados con implantes cerebrales para potenciar su fuerza, visión, memoria, etc. Gibson acuña el término "matriz" e introduce el concepto de "conexión" mediante electrodos en la cabeza o implantes directos. También explora posibles aplicaciones de entretenimiento de los implantes cerebrales, como el "simstim" (estimulación simulada), un dispositivo utilizado para grabar y reproducir experiencias.

La obra de Gibson provocó una explosión de referencias a implantes cerebrales en la cultura popular. Su influencia se percibe, por ejemplo, en el juego de rol Shadowrun de 1989 , que adoptó su término "datajack" para describir una interfaz cerebro-computadora. Los implantes en las novelas y relatos cortos de Gibson sirvieron de base para la película Johnny Mnemonic de 1995 y, posteriormente, para la trilogía Matrix .

Entre las obras de ficción pulp que tratan sobre implantes o implantes cerebrales se incluyen la serie de novelas Typers , la película Spider-Man 2 , la serie de televisión Earth: Final Conflict y numerosos videojuegos.

• El ciclo de la brecha ( La brecha hacia ): Enla serie de novelas de Stephen R. Donaldson , el uso (y el mal uso) de la tecnología de "implantes de zona" es clave para varias tramas.
• La franquicia de anime y manga Ghost in the Shell se centra en la tecnología de aumento neuronal Cyberbrain. Los implantes de potentes ordenadores proporcionan una capacidad de memoria enormemente superior, memoria total y la posibilidad de visualizar los propios recuerdos en un dispositivo externo. Los usuarios también pueden iniciar una conversación telepática con otros usuarios de Cyberbrain, aunque las desventajas incluyen el hackeo de Cyberbrain, la alteración maliciosa de la memoria y la distorsión deliberada de la realidad y la experiencia subjetivas.
• En Juramento de fidelidad (1981), de Larry Niven y Jerry Pournelle, una empresa privada construye una arcología con alta vigilancia y una sociedad de corte feudal a raíz de los disturbios en Los Ángeles. Sus sistemas son gestionados por MILLIE, un avanzado sistema informático, con el que algunos altos ejecutivos pueden comunicarse directamente y que, gracias a costosos implantes cerebrales, poseen conocimiento omnisciente del funcionamiento de la arcología. ^{[ 60 ]}

• Berger, Theodore W.; Glanzman, Dennis L., eds. (2005). Hacia partes de reemplazo para el cerebro: electrónica biomimética implantable como prótesis neuronales . Cambridge, Mass: MIT Press. ISBN 978-0262025775.

• Exclusiva: Un robot con cerebro biológico | Tendencias tecnológicas emergentes | ZDNet.com
• Sitio web de Theodore Berger
• Artículo de Scientific American sobre José Delgado
• Artículo de la revista Discover sobre implantes cerebrales.
• Artículo de Neurotech Reports sobre chips híbridos neuronales y de silicio.
• Recubrimientos de parileno-c frente a recubrimientos acrílicos utilizados en implantes cerebrales
• Sitio web de BrainGate
• 80.000 y subiendo: los implantes cerebrales van en aumento en todo el mundo.
• Implante cerebral
• IsoRay
• Enciclopedia de Ciencias de la Computación
• IEE Explore