Neuroprótesis

Una prótesis visual puede crear una imagen mediante la estimulación eléctrica de las neuronas del sistema visual . Una cámara transmite de forma inalámbrica la imagen a un implante, que la proyecta sobre una matriz de electrodos. Esta matriz debe estimular eficazmente entre 600 y 1000 puntos, lo que, al estimular las neuronas ópticas de la retina , crea la imagen. La estimulación también puede realizarse en cualquier punto de la vía de la señal óptica. Se puede estimular el nervio óptico o la corteza visual para crear la imagen , aunque los ensayos clínicos han demostrado mayor éxito en implantes retinianos. ^{[ 9 ]}

Un sistema de prótesis visual consta de un sistema de imagen externo (o implantable) que adquiere y procesa el vídeo. La unidad externa transmite energía y datos al implante de forma inalámbrica. El implante utiliza la energía y los datos recibidos para convertir los datos digitales en una salida analógica que se envía al nervio mediante microelectrodos. ^{[ 10 ]}

Los fotorreceptores son neuronas especializadas que convierten los fotones en señales eléctricas. Forman parte de la retina , una estructura neural multicapa de aproximadamente 200  μm de espesor que recubre la parte posterior del ojo . La señal procesada se envía al cerebro a través del nervio óptico . Si alguna parte de esta vía se daña, puede producirse ceguera .

La ceguera puede ser consecuencia de daños en las vías ópticas ( córnea , humor acuoso , cristalino y humor vítreo ). Esto puede ocurrir como resultado de un accidente o una enfermedad. Las dos enfermedades degenerativas de la retina más comunes que provocan ceguera secundaria a la pérdida de fotorreceptores son la degeneración macular asociada a la edad (DMAE) y la retinosis pigmentaria (RP).

El primer ensayo clínico de una prótesis retiniana implantada permanentemente fue un dispositivo con una matriz de microfotodiodos pasivos con 3500 elementos. ^{[ 11 ]} Este ensayo se llevó a cabo en Optobionics, Inc., en 2000. En 2002, Second Sight Medical Products , Inc. (Sylmar, CA) inició un ensayo con un prototipo de implante epirretiniano con 16 electrodos. Los sujetos fueron seis individuos con percepción de luz desnuda secundaria a RP. Los sujetos demostraron su capacidad para distinguir entre tres objetos comunes (plato, taza y cuchillo) a niveles estadísticamente superiores al azar. Un dispositivo subretiniano activo desarrollado por Retina Implant GMbH (Reutlingen, Alemania) comenzó los ensayos clínicos en 2006. Se implantó un IC con 1500 microfotodiodos debajo de la retina. Los microfotodiodos sirven para modular los pulsos de corriente en función de la cantidad de luz incidente en el fotodiodo . ^{[ 12 ]}

El trabajo experimental fundamental para el desarrollo de prótesis visuales se realizó mediante estimulación cortical utilizando una cuadrícula de electrodos de gran superficie. En 1968, Giles Brindley implantó un dispositivo de 80 electrodos en la superficie de la corteza visual de una mujer ciega de 52 años. Como resultado de la estimulación, la paciente pudo ver fosfenos en 40 posiciones diferentes del campo visual. ^{[ 13 ]} Este experimento demostró que un dispositivo estimulador eléctrico implantado podía restaurar cierto grado de visión. Los esfuerzos recientes en prótesis de la corteza visual han evaluado la eficacia de la estimulación de la corteza visual en un primate no humano. En este experimento, después de un proceso de entrenamiento y mapeo, el mono es capaz de realizar la misma tarea de sacada visual con estimulación lumínica y eléctrica. ^{[ 14 ]}

Los requisitos para una prótesis retiniana de alta resolución deben derivarse de las necesidades y deseos de las personas ciegas que se beneficiarán del dispositivo. Las interacciones con estos pacientes indican que la movilidad sin bastón, el reconocimiento facial y la lectura son las principales capacidades necesarias. ^{[ 15 ]}

Los resultados e implicaciones de las prótesis visuales totalmente funcionales son prometedores. Sin embargo, los desafíos son considerables. Para mapear una imagen de buena calidad en la retina, se requiere un gran número de matrices de microelectrodos. Además, la calidad de la imagen depende de la cantidad de información que se puede transmitir a través del enlace inalámbrico. Asimismo, esta gran cantidad de información debe ser recibida y procesada por el implante sin una disipación de energía excesiva que pueda dañar el tejido. El tamaño del implante también es motivo de gran preocupación. Sería preferible que cualquier implante fuera mínimamente invasivo. ^{[ 15 ]}

Con esta nueva tecnología, varios científicos, entre ellos Karen Moxon de Drexel , John Chapin de SUNY y Miguel Nicolelis de la Universidad de Duke , iniciaron investigaciones sobre el diseño de una prótesis visual sofisticada. Otros científicos discreparon con el enfoque de su investigación, argumentando que la investigación básica y el diseño del cable microscópico de alta densidad no eran lo suficientemente sofisticados como para seguir adelante.

Los implantes cocleares (IC), los implantes auditivos de tronco encefálico (IAE) y los implantes auditivos de mesencéfalo (IAM) constituyen las tres categorías principales de prótesis auditivas. Los electrodos de los IC se implantan en la cóclea, los de los IAE estimulan el complejo del núcleo coclear en la parte inferior del tronco encefálico y los IAM estimulan las neuronas auditivas en el colículo inferior . Los implantes cocleares han tenido un gran éxito entre estas tres categorías. Actualmente, Advanced Bionics Corporation, Cochlear Corporation y Med-El Corporation son los principales proveedores comerciales de implantes cocleares.

A diferencia de los audífonos tradicionales, que amplifican el sonido y lo transmiten a través del oído externo, los implantes cocleares captan y procesan el sonido, convirtiéndolo en energía eléctrica para su posterior transmisión al nervio auditivo . El micrófono del sistema de implante coclear recibe el sonido del entorno externo y lo envía a un procesador. Este procesador digitaliza el sonido y lo filtra en bandas de frecuencia separadas, que se envían a la región tonotónica correspondiente de la cóclea , la cual se corresponde aproximadamente con dichas frecuencias.

En 1957, los investigadores franceses A. Djourno y C. Eyries, con la ayuda de D. Kayser, proporcionaron la primera descripción detallada de la estimulación directa del nervio auditivo en un sujeto humano. ^{[ 16 ]} Los individuos describieron oír sonidos chirriantes durante la estimulación. En 1972, se implantó el primer sistema portátil de implante coclear en un adulto en la Clínica Auditiva House. La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) aprobó formalmente la comercialización del implante coclear House-3M en noviembre de 1984. ^{[ 17 ]}

La mejora del rendimiento de los implantes cocleares no solo depende de comprender las limitaciones físicas y biofísicas de la estimulación del implante, sino también de comprender los requisitos de procesamiento de patrones del cerebro. El procesamiento de señales moderno representa la información del habla más importante, a la vez que proporciona al cerebro la información de reconocimiento de patrones que necesita. El reconocimiento de patrones en el cerebro es más eficaz que el preprocesamiento algorítmico para identificar características importantes del habla. Fue necesaria una combinación de ingeniería, procesamiento de señales, biofísica y neurociencia cognitiva para lograr el equilibrio tecnológico adecuado y maximizar el rendimiento de las prótesis auditivas. ^{[ 18 ]}

Los implantes cocleares también se han utilizado para permitir la adquisición del desarrollo del lenguaje hablado en niños sordos de nacimiento, con un éxito notable en implantaciones tempranas (antes de los 2-4 años de edad). ^{[ 19 ]} Se han implantado aproximadamente 80 000 niños en todo el mundo.

El concepto de combinar la estimulación electroacústica simultánea (EAS) para mejorar la audición fue descrito por primera vez por C. von Ilberg y J. Kiefer, de la Clínica Universitaria de Frankfurt, Alemania, en 1999. ^{[ 20 ]} Ese mismo año se implantó el primer dispositivo EAS a un paciente. Desde principios de la década de 2000, la FDA ha participado en un ensayo clínico del dispositivo denominado "Híbrido" de Cochlear Corporation. Este ensayo tiene como objetivo examinar la utilidad del implante coclear en pacientes con audición residual de baja frecuencia. El "Híbrido" utiliza un electrodo más corto que el implante coclear estándar; al ser más corto, estimula la región basal de la cóclea y, por lo tanto, la región tonotópica de alta frecuencia. En teoría, estos dispositivos beneficiarían a los pacientes con audición residual significativa de baja frecuencia que han perdido la percepción en el rango de frecuencias del habla y, por consiguiente, tienen puntuaciones de discriminación reducidas. ^{[ 21 ]}

Para la producción de sonido, consulte Síntesis de voz .

El dispositivo SCS (Estimulador de la Médula Espinal) tiene dos componentes principales: un electrodo y un generador. El objetivo técnico del SCS para el dolor neuropático es enmascarar el área de dolor del paciente con un hormigueo inducido por la estimulación, conocido como " parestesia ", porque esta superposición es necesaria (pero no suficiente) para lograr el alivio del dolor. ^{[ 22 ]} La cobertura de la parestesia depende de qué nervios aferentes se estimulan. Los que se reclutan más fácilmente con un electrodo dorsal de la línea media, cerca de la superficie pial de la médula espinal , son los grandes aferentes de la columna dorsal , que producen una parestesia amplia que cubre segmentos caudalmente.

En la antigüedad, el pez electrogénico se utilizaba como electroestimulante para aliviar el dolor. Los sanadores habían desarrollado técnicas específicas y detalladas para explotar las cualidades generativas del pez para tratar varios tipos de dolor, incluido el dolor de cabeza. Debido a la incomodidad de usar un generador de descargas vivo, se requería un nivel considerable de habilidad para administrar la terapia al objetivo durante el tiempo adecuado. (Incluyendo mantener vivo al pez el mayor tiempo posible) La electroanalgesia fue la primera aplicación deliberada de la electricidad. Para el siglo XIX, la mayoría de los médicos occidentales ofrecían a sus pacientes electroterapia administrada por un generador portátil. ^{[ 23 ]} Sin embargo, a mediados de la década de 1960, tres cosas convergieron para asegurar el futuro de la electroestimulación.

1. La tecnología de marcapasos , que tuvo sus inicios en 1950, se hizo accesible.
2. Melzack y Wall publicaron su teoría del control de la compuerta del dolor , que proponía que la transmisión del dolor podía bloquearse mediante la estimulación de grandes fibras aferentes. ^{[ 24 ]}
3. Los médicos pioneros se interesaron en estimular el sistema nervioso para aliviar el dolor de los pacientes.

Las opciones de diseño para los electrodos incluyen su tamaño, forma, disposición, número y asignación de contactos, así como la forma en que se implantan. Las opciones de diseño para el generador de pulsos incluyen la fuente de alimentación, la ubicación anatómica objetivo, la fuente de corriente o voltaje, la frecuencia de pulso, el ancho de pulso y el número de canales independientes. Las opciones de programación son muy numerosas (un electrodo de cuatro contactos ofrece 50 combinaciones bipolares funcionales). Los dispositivos actuales utilizan equipos computarizados para encontrar las mejores opciones de uso. Esta opción de reprogramación compensa los cambios posturales, la migración del electrodo, los cambios en la ubicación del dolor y la colocación subóptima del electrodo. ^{[ 25 ]}

Cuando una lesión de la médula espinal provoca paraplejia , los pacientes tienen dificultad para vaciar la vejiga, lo que puede causar infecciones. A partir de 1969, Brindley desarrolló el estimulador de la raíz anterior sacra, con ensayos clínicos exitosos en humanos desde principios de la década de 1980. ^{[ 26 ]} Este dispositivo se implanta sobre los ganglios de la raíz anterior sacra de la médula espinal; controlado por un transmisor externo, proporciona estimulación intermitente que mejora el vaciado de la vejiga. También facilita la defecación y permite a los pacientes varones tener una erección completa y sostenida.

El procedimiento relacionado de estimulación del nervio sacro se utiliza para el control de la incontinencia en pacientes sanos. ^{[ 27 ]}

Actualmente, los investigadores están estudiando y desarrollando neuroprótesis motoras que ayudarán a restaurar el movimiento y la capacidad de comunicarse con el mundo exterior en personas con discapacidades motoras como la tetraplejía o la esclerosis lateral amiotrófica . Las investigaciones han demostrado que el cuerpo estriado desempeña un papel crucial en el aprendizaje sensoriomotor. Esto se evidenció en un experimento en el que se registró una mayor frecuencia de descarga neuronal en el cuerpo estriado de ratas de laboratorio tras realizar una tarea de forma consecutiva.

Para capturar señales eléctricas del cerebro, los científicos han desarrollado matrices de microelectrodos de menos de un centímetro cuadrado que se pueden implantar en el cráneo para registrar la actividad eléctrica, transduciendo la información registrada a través de un cable delgado. Tras décadas de investigación en monos, los neurocientíficos han logrado decodificar las señales neuronales y convertirlas en movimientos. Completando esta traducción, los investigadores han creado interfaces que permiten a los pacientes mover cursores de computadora y están comenzando a construir extremidades robóticas y exoesqueletos que los pacientes pueden controlar con solo pensar en el movimiento.

La tecnología de las neuroprótesis motoras aún está en sus inicios. Investigadores y participantes en estudios siguen experimentando con diferentes formas de utilizarlas . Por ejemplo, que un paciente piense en cerrar el puño produce un resultado distinto a que piense en mover un dedo. Los filtros de las prótesis también se están perfeccionando y, en el futuro, los médicos esperan crear un implante capaz de transmitir señales desde el interior del cráneo de forma inalámbrica , en lugar de mediante un cable.

Antes de estos avances, Philip Kennedy ( Emory y Georgia Tech ) contaba con un sistema funcional, aunque algo primitivo, que permitía a una persona con parálisis deletrear palabras modulando su actividad cerebral. El dispositivo de Kennedy utilizaba dos electrodos neurotróficos : el primero se implantaba en una región cortical motora intacta (por ejemplo, el área de representación de los dedos) y se usaba para mover un cursor entre un grupo de letras. El segundo se implantaba en una región motora diferente y se usaba para indicar la selección. ^{[ 28 ]}

Continúan los avances en la sustitución de brazos perdidos mediante prótesis cibernéticas que utilizan los nervios normalmente conectados a los músculos pectorales. Estos brazos permiten un rango de movimiento ligeramente limitado y, según se informa, contarán con sensores para detectar la presión y la temperatura. ^{[ 29 ]}

El Dr. Todd Kuiken, de la Universidad Northwestern y del Instituto de Rehabilitación de Chicago, ha desarrollado un método llamado reinervación selectiva para que las personas amputadas puedan controlar prótesis motorizadas y recuperar la retroalimentación sensorial.

En 2002, se implantó una matriz multielectrodo de 100 electrodos , que ahora forma parte del sensor de un Braingate , directamente en las fibras del nervio mediano del científico Kevin Warwick . Las señales registradas se utilizaron para controlar un brazo robótico desarrollado por su colega Peter Kyberd , capaz de imitar los movimientos del brazo de Warwick. ^{[ 30 ]} Además, el implante proporcionaba retroalimentación sensorial mediante la aplicación de pequeñas corrientes eléctricas al nervio. Esto provocaba la contracción del primer músculo lumbrical de la mano, y era este movimiento el que se percibía. ^{[ 30 ]}

En junio de 2014, Juliano Pinto, un atleta parapléjico, realizó el saque inicial ceremonial en la Copa Mundial de la FIFA 2014 utilizando un exoesqueleto motorizado con una interfaz cerebral. ^{[ 31 ]} El exoesqueleto fue desarrollado por el Proyecto Walk Again en el laboratorio de Miguel Nicolelis, financiado por el gobierno de Brasil. ^{[ 31 ]} Nicolelis afirma que la retroalimentación de las extremidades de reemplazo (por ejemplo, información sobre la presión que experimenta un pie protésico al tocar el suelo) es necesaria para el equilibrio. ^{[ 32 ]} Ha descubierto que, siempre que las personas puedan ver las extremidades controladas por una interfaz cerebral moverse al mismo tiempo que dan la orden de hacerlo, con el uso repetido el cerebro asimilará la extremidad motorizada externamente y comenzará a percibirla (en términos de conciencia de posición y retroalimentación) como parte del cuerpo. ^{[ 32 ]}

El Grupo de Biomecatrónica del MIT ha diseñado un novedoso paradigma de amputación que permite la interacción neuronal de alta fiabilidad entre músculos biológicos y prótesis mioeléctricas. Este paradigma quirúrgico, denominado interfaz mioneural agonista-antagonista (AMI), proporciona al usuario la capacidad de percibir y controlar su extremidad protésica como una extensión de su propio cuerpo, en lugar de utilizar una prótesis que simplemente se asemeja a un apéndice. En una relación normal entre un par de músculos agonistas y antagonistas (por ejemplo, bíceps-tríceps), cuando el músculo agonista se contrae, el antagonista se estira, y viceversa, lo que permite conocer la posición de la extremidad sin necesidad de mirarla. Durante una amputación estándar, los músculos agonistas y antagonistas (por ejemplo, bíceps-tríceps) se aíslan entre sí, impidiendo el mecanismo dinámico de contracción-extensión que genera retroalimentación sensorial. Por lo tanto, las personas amputadas actualmente no tienen forma de sentir el entorno físico con el que interactúa su extremidad protésica. Además, con la cirugía de amputación actual, que lleva en práctica más de 200 años, un tercio de los pacientes se someten a cirugías de revisión debido al dolor en los muñones.

Una AMI está compuesta por dos músculos que originalmente compartían una relación agonista-antagonista. Durante la cirugía de amputación, estos dos músculos se unen mecánicamente dentro del muñón amputado. ^{[ 33 ]} Se puede crear un par de músculos AMI para cada grado de libertad articular en un paciente con el fin de establecer el control y la sensibilidad de múltiples articulaciones protésicas. En pruebas preliminares de esta nueva interfaz neural, los pacientes con una AMI han demostrado y reportado un mayor control sobre la prótesis. Además, se observó un comportamiento reflejo más natural al subir escaleras en comparación con sujetos con una amputación tradicional. ^{[ 34 ]} Una AMI también se puede construir mediante la combinación de dos injertos musculares desvascularizados. Estos injertos musculares (o colgajos) son músculo sobrante que se denerva (se separa de los nervios originales) y se extrae de una parte del cuerpo para ser reinervado por los nervios seccionados que se encuentran en la extremidad que se va a amputar. ^{[ 33 ]} Mediante el uso de colgajos musculares regenerados, se pueden crear AMI para pacientes con tejido muscular que ha sufrido atrofia o daño extremo o para pacientes que se someten a una revisión de una extremidad amputada por razones tales como dolor de neuroma, espolones óseos, etc.

La caracterización precisa de los parámetros de entrada/salida (E/S) no lineales del tejido funcional normal que se va a reemplazar es fundamental para diseñar una prótesis que imite las señales sinápticas biológicas normales. ^{[ 35 ] [ 36 ]} El modelado matemático de estas señales es una tarea compleja "debido a la dinámica no lineal inherente a los mecanismos celulares/moleculares que componen las neuronas y sus conexiones sinápticas". ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} La salida de casi todas las neuronas cerebrales depende de qué entradas postsinápticas están activas y en qué orden se reciben las entradas (propiedades espaciales y temporales, respectivamente). ^{[ 40 ]}

Una vez modelados matemáticamente los parámetros de entrada/salida, se diseñan circuitos integrados para imitar las señales biológicas normales. Para que la prótesis funcione como el tejido normal, debe procesar las señales de entrada, un proceso conocido como transformación , del mismo modo que lo hace el tejido normal.

Los dispositivos implantables deben ser muy pequeños para poder implantarse directamente en el cerebro, aproximadamente del tamaño de una moneda de veinticinco centavos. Un ejemplo de matriz de microelectrodos implantables es la matriz de Utah. ^{[ 41 ]}

Los dispositivos de control inalámbricos pueden montarse en el exterior del cráneo y deben ser más pequeños que un buscapersonas.

El consumo de energía determina el tamaño de la batería. La optimización de los circuitos implantados reduce las necesidades energéticas. Actualmente, los dispositivos implantados requieren fuentes de alimentación integradas. Una vez agotada la batería, es necesaria una cirugía para reemplazarla. Una mayor duración de la batería implica menos cirugías para su reemplazo. Una opción para recargar baterías de implantes sin cirugía ni cables se utiliza en cepillos de dientes eléctricos. ^{[ 42 ]} Estos dispositivos utilizan carga inductiva para recargar las baterías. Otra estrategia consiste en convertir la energía electromagnética en energía eléctrica, como en las etiquetas de identificación por radiofrecuencia .

Las prótesis cognitivas se implantan directamente en el cerebro, por lo que la biocompatibilidad es un obstáculo muy importante que superar. Los materiales utilizados en la carcasa del dispositivo, el material del electrodo (como el óxido de iridio ^{[ 43 ]} ) y el aislamiento del electrodo deben elegirse para una implantación a largo plazo. Sujeto a las normas: ISO 14708-3 2008-11-15, Implantes para cirugía - Dispositivos médicos implantables activos Parte 3: Neuroestimuladores implantables.

Atravesar la barrera hematoencefálica puede permitir la entrada de patógenos u otras sustancias que desencadenen una respuesta inmunitaria. El cerebro posee un sistema inmunitario propio que actúa de forma diferente al del resto del cuerpo.

Se está desarrollando la transmisión inalámbrica para permitir el registro continuo de señales neuronales en la vida cotidiana de las personas. Esto permite a médicos y clínicos obtener más datos, asegurando el registro de eventos de corta duración, como las crisis epilépticas, lo que facilita un mejor tratamiento y una mejor caracterización de las enfermedades neurológicas.

En la Universidad de Stanford se ha desarrollado un dispositivo pequeño y ligero que permite el registro continuo de la actividad neuronal en el cerebro de primates. ^{[ 44 ]} Esta tecnología también permite a los neurocientíficos estudiar el cerebro fuera del entorno controlado de un laboratorio.

Los métodos de transmisión de datos entre prótesis neuronales y sistemas externos deben ser robustos y seguros. Los implantes neuronales inalámbricos pueden presentar las mismas vulnerabilidades de ciberseguridad que cualquier otro sistema informático , lo que da origen al término neuroseguridad . Una brecha de neuroseguridad puede considerarse una violación de la privacidad médica .

La implantación del dispositivo presenta numerosos problemas. En primer lugar, es necesario conectar correctamente las entradas presinápticas con las entradas postsinápticas del dispositivo. En segundo lugar, las señales de salida del dispositivo deben dirigirse con precisión al tejido deseado. En tercer lugar, el cerebro debe aprender a utilizar el implante. Diversos estudios sobre plasticidad cerebral sugieren que esto podría lograrse mediante ejercicios diseñados con la motivación adecuada.

Los potenciales de campo locales (PCL) son señales electrofisiológicas relacionadas con la suma de toda la actividad sináptica dendrítica dentro de un volumen de tejido. Estudios recientes sugieren que los objetivos y el valor esperado son funciones cognitivas de alto nivel que pueden utilizarse para prótesis cognitivas neuronales. ^{[ 45 ]} Además, científicos de la Universidad de Rice han descubierto un nuevo método para ajustar las vibraciones inducidas por la luz de nanopartículas mediante ligeras alteraciones en la superficie a la que están adheridas. Según la universidad, el descubrimiento podría conducir a nuevas aplicaciones de la fotónica, desde la detección molecular hasta las comunicaciones inalámbricas. Utilizaron pulsos láser ultrarrápidos para inducir la vibración de los átomos en nanodiscos de oro. ^{[ 46 ]}

Un obstáculo a superar es la implantación a largo plazo de los electrodos. Si los electrodos se desplazan por un impacto físico o si el cerebro se mueve en relación con la posición de los electrodos, estos podrían estar registrando la actividad de diferentes nervios. Es necesario ajustar los electrodos para mantener una señal óptima. Ajustar individualmente los conjuntos de electrodos múltiples es un proceso muy tedioso y que consume mucho tiempo. El desarrollo de electrodos de ajuste automático mitigaría este problema. El grupo de Anderson está colaborando actualmente con el laboratorio de Yu-Chong Tai y el laboratorio de Burdick (todos en Caltech) para crear un sistema que utilice actuadores basados ​​en electrólisis para ajustar de forma independiente los electrodos en un conjunto de electrodos implantados crónicamente. ^{[ 47 ]}

La cirugía guiada por imágenes se utiliza para posicionar con precisión los implantes cerebrales. ^{[ 45 ]}