Personas con parálisis se mueven con interfaz cerebro-ordenador
Una persona con parálisis controla una prótesis de brazo usando su actividad cerebral Imagen publicada en Nature-Crédito: Pitt/UPMC
El cerebro, aunque a veces invisibilizado o inadvertido, es el órgano que centraliza la actividad del sistema nervioso. Controla los movimientos voluntarios, el habla, la inteligencia, la memoria, las emociones y procesa la información que recibe a través de los sentidos. El cerebro, la mente y la voluntad lo pueden todo, o casi todo, al menos con la ayuda de la ciencia. Investigaciones cada vez más perfectibles, han ideado dispositivos de lectura del cerebro que ayudan a las personas paralizadas a moverse, hablar y tocar. A través de una interfaz cerebro-computadora (BCI).
Nature recrea la historia de James Johnson, quien espera volver a conducir un auto algún día. Si lo hace, lo hará usando sólo sus pensamientos.
En marzo de 2017, Johnson se rompió el cuello en un accidente de karting, dejándolo casi completamente paralizado debajo de los hombros. Entendió su nueva realidad mejor que la mayoría de otros terribles casos, pues durante décadas, había sido cuidador de personas con parálisis. “Había una profunda depresión”, dice. “Pensé que cuando me pasó esto no había nada, nada que pudiera hacer o dar”, reseña la revista.
Su equipo de rehabilitación le presentó a investigadores del cercano Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Pasadena. Y lo invitaron a unirse a un ensayo clínico de una interfaz cerebro-computadora (BCI).
Esto primero implicaría una neurocirugía para implantar dos rejillas de electrodos en su corteza. Estos electrodos registrarían las neuronas en su cerebro a medida que se disparan. Y los investigadores usarían algoritmos para decodificar sus pensamientos e intenciones. Luego, el sistema usaría la actividad cerebral de Johnson para operar aplicaciones informáticas o para mover un dispositivo protésico. En total, llevaría años y requeriría cientos de sesiones de entrenamiento intensivo, entereza, disciplina y mucho ánimo. “Realmente no dudé”, dijo Johnson.
¿Qué es Interfaz cerebro-computadora?
La primera vez que usó su interfaz cerebro-computadora, implantado en noviembre de 2018, Johnson movió el cursor por la pantalla de una computadora. «Se sentía como The Matrix», comentó. “Nos conectamos a la computadora, y he aquí que pude mover el cursor con solo pensar”.
Desde entonces, Johnson ha usado el BCI para controlar un brazo robótico. Usar el software Photoshop, jugar videojuegos de «disparos» y ahora conducir un automóvil simulado a través de un entorno virtual. Cambiando la velocidad, la dirección y reaccionando a los peligros. «Siempre me sorprende lo que somos capaces de hacer», indicó.
Johnson es una de las 35 personas estimadas a las que se les ha implantado una BCI a largo plazo en el cerebro. Solo alrededor de una docena de laboratorios realizan este tipo de investigación, pero ese número está creciendo. En los últimos cinco años, la gama de habilidades que estos dispositivos pueden restaurar se ha expandido enormemente.
Solo el año pasado, los científicos describieron a un paciente que usaba un brazo robótico que podía enviar retroalimentación sensorial directamente a su cerebro. Un dispositivo protésico del habla para alguien que no puede hablar debido a un accidente cerebrovascular. Y una persona capaz de comunicarse a velocidades récord imaginándose a sí misma escribiendo.
La mayoría de los implantes para el registro a largo plazo de neuronas individuales han sido fabricados por una sola empresa: Blackrock Neurotech. Un desarrollador de dispositivos médicos con sede en Salt Lake City, Utah. Pero en los últimos siete años ha aumentado el interés comercial en las BCI. En particular, en 2016, Elon Musk lanzó Neuralink en San Francisco, con el fin de conectar humanos y computadoras. La empresa ha recaudado 363 millones de dólares. En 2021, Blackrock Neurotech y otras empresas BCI también atrajeron respaldo financiero.
Recobrar el movimiento e independencia
“Durante miles de años, hemos estado buscando alguna forma de curar a las personas que tienen parálisis”, manifestó Matt Angle, director ejecutivo fundador de Paradromics. Una empresa de neurotecnología en Austin, Texas. “Ahora estamos en la cúspide de tener tecnologías que podamos aprovechar para alcanzar ese objetivo”.
Cuando se les pregunta qué quieren de la neurotecnología de asistencia, las personas con parálisis suelen responder «independencia». Para las personas que no pueden mover sus extremidades, esto generalmente significa restaurar el movimiento.
Un enfoque es implantar electrodos que estimulen directamente los músculos de las extremidades de una persona. Y hacer que la Interfaz cerebro-computadora los controle directamente. “Si puede capturar las señales corticales nativas relacionadas con el control de los movimientos de las manos, esencialmente puede evitar la lesión de la médula espinal. Para ir directamente del cerebro a la periferia”, afirmó Bolu Ajiboye, neurocientífico de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio.
En 2017, Ajiboye y sus colegas describieron a un participante que usaba este sistema para realizar movimientos complejos con los brazos. Como beber una taza de café y alimentarse. “Cuando comenzó el estudio por primera vez”, recordó Ajiboye, “tuvo que pensar mucho en mover su brazo del punto A al punto B. Pero a medida que ganó más entrenamiento, solo podía pensar en mover su brazo y se movería. ”El participante también recuperó el sentido de propiedad del brazo.
Ajiboye ahora está ampliando el repertorio de señales de comando que su sistema puede decodificar, como las de la fuerza de agarre. También quiere dar a los usuarios de BCI un sentido del tacto, un objetivo que persiguen varios laboratorios, reseñó Nature.
Sensación táctil
Un equipo dirigido por el neurocientífico Robert Gaunt de la Universidad de Pittsburgh en Pensilvania realizó otros avances. Sobre la implantación de un conjunto de electrodos en la región de la mano de la corteza somatosensorial de una persona, donde se procesa la información táctil. Cuando usaron los electrodos para estimular las neuronas, la persona sintió algo parecido a ser tocado.
Luego, Gaunt unió fuerzas con su colega de Pittsburgh, Jennifer Collinger, una neurocientífica que avanza en el control de brazos robóticos mediante BCI. Juntos, diseñaron un brazo robótico con sensores de presión incrustados en las yemas de los dedos. Se alimentaban de electrodos implantados en la corteza somatosensorial para evocar un sentido sintético del tacto. No era una sensación del todo natural: a veces se sentía como presión o pinchazos, otras veces era más como un zumbido, explica Gaunt. Sin embargo, la retroalimentación táctil hizo que la prótesis se sintiera mucho más natural de usar. Y el tiempo que se tardaba en recoger un objeto se redujo a la mitad, de aproximadamente 20 segundos a 10.
La implantación de matrices en regiones del cerebro que tienen diferentes roles puede agregar matices al movimiento de otras maneras. Lo explica el neurocientífico Richard Andersen, que dirige el ensayo en Caltech en el que participa Johnson. Está tratando de decodificar los objetivos más abstractos de los usuarios aprovechando la corteza parietal posterior (PPC), que forma la intención o el plan de moverse. Es decir, podría codificar el pensamiento «Quiero un trago». Mientras que la corteza motora dirige la mano hacia el café y luego se lo lleva a la boca.
Pérdida de la capacidad para comunicarse
El grupo de Andersen está explorando cómo esta entrada dual ayuda al rendimiento del interfaz cerebro-computadora, contrastando el uso de las dos regiones corticales solas o juntas. Los resultados no publicados muestran que las intenciones de Johnson se pueden decodificar más rápidamente en el PPC. «De acuerdo con la codificación del objetivo del movimiento», dijo Tyson Aflalo. Investigador principal en el laboratorio de Andersen. La actividad de la corteza motora, por el contrario, dura todo el movimiento, «haciendo que la trayectoria sea menos nerviosa».
Este nuevo tipo de información neuronal está ayudando a Johnson y a otros a expandir lo que pueden hacer. Johnson usa el simulador de manejo y otro participante puede tocar un piano virtual usando su BCI.
“Uno de los resultados más devastadores relacionados con las lesiones cerebrales es la pérdida de la capacidad de comunicarse”, señaló Edward Chang. Neurocirujano y neurocientífico de la Universidad de California en San Francisco. En los primeros trabajos de BCI, los participantes podían mover un cursor alrededor de la pantalla de una computadora imaginando que su mano se movía. Y luego imaginando agarrar las letras para «hacer clic», ofreciendo una forma de lograr la comunicación. Pero más recientemente, Chang y otros han logrado un rápido progreso al enfocarse en movimientos que las personas usan naturalmente para expresarse.
El punto de referencia para la comunicación mediante el control del cursor, aproximadamente 40 caracteres por minuto, fue establecido en 2017. Por un equipo dirigido por Krishna Shenoy, neurocientífico de la Universidad de Stanford en California.
Luego, el año pasado, este grupo informó un enfoque que permitió al participante del estudio Dennis Degray, que puede hablar pero está paralizado del cuello para abajo, duplicar el ritmo.
Volver a escribir
El colega de Shenoy, Frank Willett, le sugirió a Degray que imaginara la escritura a mano mientras grababan desde su corteza motora. El sistema a veces tuvo problemas para analizar las señales relacionadas con las letras. Aquellas que están escritas a mano de manera similar, como r, n y h, pero en general podía distinguir fácilmente las letras. Los algoritmos de decodificación tenían una precisión del 95 % en la línea de base. Pero cuando se corrigieron automáticamente la precisión saltó al 99 %. Utilizaron modelos de lenguaje estadístico que son similares al texto predictivo en los teléfonos inteligentes.
“Puedes decodificar movimientos realmente rápidos y muy finos”, destacó Shenoy, “y puedes hacerlo a 90 caracteres por minuto”.
Degray ha tenido un interfaz cerebro-computadora funcional en su cerebro durante casi 6 años. Y es un veterano de 18 estudios realizados por el grupo de Shenoy. Él dice que es notable cómo se vuelven las tareas sin esfuerzo. Compara el proceso con aprender a nadar y dice: «Al principio te agitas mucho, pero de repente, todo se vuelve comprensible».
El enfoque de Chang para restaurar la comunicación se centra en hablar en lugar de escribir, aunque utiliza un principio similar. Así como la escritura está formada por letras distintas, el habla está formada por unidades discretas llamadas fonemas o sonidos individuales. Hay alrededor de 50 fonemas en inglés, y cada uno es creado por un movimiento estereotipado del tracto vocal, la lengua y los labios.
Decodificar palabras completas
El grupo de Chang primero trabajó en la caracterización de la parte del cerebro que genera fonemas. Y, por lo tanto, habla, una región mal definida llamada corteza laríngea dorsal. Luego, aplicaron estos conocimientos para crear un sistema de decodificación de voz que mostraba el discurso previsto del usuario como texto en una pantalla.
Este dispositivo permitía a una persona que no podía hablar por un derrame cerebral comunicarse. Utilizando un vocabulario preseleccionado de 50 palabras y a una velocidad de 15 palabras por minuto. “Lo más importante que hemos aprendido”, dice Chang, “es que ya no es teórico; es verdaderamente posible decodificar palabras completas”.
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Citations & References:
The brain-reading devices helping paralysed people to move, talk and touch. Nature.com
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