Chips biónicos en el cerebro podrían ayudar a superar la parálisis

Desde el año 2003 una serie de innovaciones apuntan a incrementar la comunicación entre el cerebro humano y las máquinas. En la actualidad, el avance de los desarrollos se orienta a restituir el contacto perdido entre el cerebro y ciertas partes del cuerpo, con la ayuda de chips neurales.

Un mono se sienta en un banco, con cables que van de su cabeza y su muñeca a una pequeña caja electrónica. Al principio la muñeca yace floja, pero en diez minutos, el mono comienza a flexionar sus músculos y a mover la mano de lado a lado. Los movimientos son torpes, pero suficientes para garantizarle una trago de jugo como recompensa. Después de todo, no debería ser capaz de moverla.

Una conexión nerviosa en la parte superior de su brazo fue anestesiada, deteniendo las señales que viajan de su cerebro a su mano, lo que le dejó los músculos temporalmente paralizados. El mono sólo era capaz de mover el brazo porque los cables y la caja negra evadían la conexión rota.

El mono estaba en el laboratorio de Ebehard Fetz de la Universidad de Washington. El experimento, realizado el año pasado, fue la primera demostración de un nuevo tratamiento que podría curar la parálisis algún día, la cual es típicamente causada por una conexión rota en la médula espinal. Aunque muchos trabajos se concentraron en la utilización de células madre para regenerar fibras nerviosas dañadas, algunos investigadores creen que un «bypass» electrónico como éste es viable.

La idea es implantar chips electrónicos en las regiones relevantes del cerebro para grabar la actividad neural. Entonces un decodificador descifra las comunicaciones neurales, a menudo entre miles de neuronas, para descubrir qué es lo que el cerebro quiere que el cuerpo haga. Estos mensajes deben entonces transmitirse, inalámbricamente, a electrodos que envían un pulso eléctrico para estimular los músculos. Tales chips cerebrales ya se encargan de restaurar la audición a los sordos y la visión a los ciegos, y ayudan a evitar ataques de epilepsia. La idea no es tan lejana como podría sonar.

Cada pequeño progreso en derrotar la parálisis fue conquistado con esfuerzo. Una de las primeras demostraciones emergió en 2003, cuando José Carmena, entonces en la Universidad de Duke, tuvo éxito en la creación de una interface entre cerebro y máquina. Lo que permitió a sus monos de laboratorio jugar en la computadora usando sólo sus mentes.

Para ganar su recompensa, los monos debían mover el cursor, inicialmente con un joystick, para acertarle a un blanco en la pantalla. De antemano, Carmena y sus colegas implantaron varios chips que cubrían completamente los lóbulos parietal y frontal de los cerebros de los monos (regiones que se sabe planean y controlan el movimiento). Cada chip contenía 64 electrodos, que grabaron la actividad de las neuronas circundantes mientras los monos manipularon el joystick.

Una vez que el sistema decodificó con éxito el parloteo neuronal, el programa dejó de responder al movimiento del joystick. Entonces, recayó únicamente en los pensamientos del mono para controlar el cursor. Eventualmente hasta los animales lo comprendieron y dejaron de sostener el joystick para completar la tarea.

Manipular un cursor en una pantalla es una cosa, pero el hecho de que tales chips cerebrales puedan traducir áreas complejas de la vida diaria es otra. Eso permaneció como una pregunta abierta hasta 2004. Ese año, John Donoghue y sus colegas de Cyberkinetics en Providence, implantaron un chip de cien electrodos en el cerebro de un hombre de 25 años de edad, conocido como MN. Él tenía el lado izquierdo del cuerpo paralizado del cuello hacia abajo por una herida de cuchillo.

En los siguientes nueve meses, MN usó el chip BrainGate satisfactoriamente para abrir emails, manejar un televisor e inclusive controlar un brazo robot. Fue un paso prometedor, pero la tecnología estaba lejos de la perfección. «Aunque BrainGate funcionó bien de muchas maneras, por momentos el control no era satisfactorio», dice Donoghue. Para el final de la prueba, los fluidos cerebrales habían deteriorado el chip. El equipo está ahora resolviendo esos problemas, y este año anunció el comienzo de una prueba clínica para una versión mejorada del chip.

La mayor esperanza para muchas personas que sufren de parálisis es recuperar el movimiento en sus propias extremidades. Hasta el experimento de Fetz el año pasado, nadie había usado exitosamente un implante para puentear una conexión rota entre el cerebro y el cuerpo. Pruebas de estimulación eléctrica funcional (FES, por su sigla en inglés), en las que unos electrodos implantados directamente estimulan los músculos, señalan que esto podría ser posible. Pero estos impulsos han sido activados por disparadores externos, tal como un interruptor controlado por uno de los miembros sanos del paciente, en lugar de señales cerebrales.

No sólo el trabajo de Fetz demostró que la electrónica puede desenredar señales neuronales y transmitir instrucciones a las extremidades utilizando FES. También demostró que el cerebro hace que el trabajo sea más sencillo de lo que se podía anticipar. A pesar de que las neuronas conectadas al chip no controlaron naturalmente la muñeca, en poco tiempo se adaptaron a la tarea y dominaron acciones complejas. «Todas las neuronas se pueden usar igualmente bien para controlar a pesar de su asociación original al movimiento», dice Chet Moritz, miembro del equipo.

Eso puede tener una implicación importante para los humanos que esperan usar implantes similares en el futuro. «Eso subraya la impresionante flexibilidad del cerebro para adaptarse a nuevas conexiones, las cuales pueden jugar un rol importante permitiendo que los pacientes adopten prótesis neurales», declara.

¿Puede funcionar el mismo enfoque en humanos? No parece haber obstáculos fundamentales, y Donoghue planea confrontar la proposición en las nuevas pruebas de BrainGate, usando su chip para controlar una extremidad utilizando FES. Si funciona, representará un hito en el desarrollo de tales tratamientos.

No obstante, es poco probable que la estimulación directa de los músculos con el FES llegue a ser la solución definitiva. Este enfoque directo usa corriente eléctrica relativamente poderosa aplicada a grandes áreas de tejido, lo que produce movimientos torpes. Algunos declaran que un método más elegante es enviar el impulso a través de los nervios sanos que existen. Eso puede requerir corrientes locales más pequeñas, enviadas con mayor precisión a regiones específicas del tejido muscular, que deberían permitir un control más delicado.

Coordinación.

Como bonus, la estimulación nerviosa podría simplificar algunas de las exigencias que se le imponen a un chip. Para varias actividades rítmicas, como respirar y caminar, el cerebro simplemente envía una señal de comando y son los sistemas internos de la médula espinal los que orquestan los movimientos finos de cada músculo. Si las secciones dañadas de médula espinal mantienen su capacidad de controlar el movimiento, el chip electrónico puede transmitir la señal cerebral saltando la conexión rota pero dejar la organización muscular a la médula. En ese caso, un chip solamente enviaría el mensaje a un segundo dispositivo implantado en la médula debajo del lugar de la interrupción, que se encargaría de continuar el estímulo.

Eso podría «simplificar dramáticamente las señales de control necesarias del cerebro», dice Moritz, dado que para estas tareas repetitivas el chip cerebral podría decodificar y transmitir sólo un comando englobador. Tal simplificación debería disminuir la propensión a fallar de los chips (algo importante, dado que la única manera de reemplazarlos es a través de cirugía invasiva) y también reducir su consumo de energía.

Usando este principio en 2002, Vivian Mushawar, ahora en la Universidad de Alberta en Canadá, enchufó cuatro electrodos en la espina dorsal de un gato y envió señales que imitaron el comando del cerebro para caminar. Efectivamente, el gato dio algunos pasos.

Reenviar los mensajes sobre un corte de esta forma no sería suficiente para solucionar las peores heridas. Aunque puede ayudar en los casos en que la médula haya perdido su habilidad para coordinar músculos. Dadas las circunstancias, para minimizar el tamaño del chip y su carga, la organización muscular debería provenir del chip implantado en la médula o de un dispositivo externo que se comunique inalámbricamente con el chip en el cerebro y en la espina dorsal.

No es una tarea fácil calcular exactamente qué nervios estimular y según qué patrón hacerlo, pero la primera demostración de un generador de patrones centralizado (CPG, según su sigla en inglés) fue reportada el último año, cuando Mushahwar y colaboradores de la Universidad Johns Hopkins testearon exitosamente el chip en un gato. Solo con la coordinación proveniente de un chip CPG externo conectado a un puñado de electrodos que estimularon la espina del gato, el animal fue capaz de caminar. En este experimento, el equipo simplemente estaba probando la habilidad del CPG para administrar movimientos, como una alternativa al FES, así que el disparador vino de un interruptor manual y no del cerebro del gato. El próximo obstáculo a superar será usar el CPG en conjunción con un chip neural.

Mientras que este chip solamente lidió con la acción de caminar, en humanos un chip adicional externo podría también disminuir el procesamiento realizado desde el chip cerebral para movimientos no repetitivos, como cerrar un puño o levantar una mano. El cerebro no necesariamente produce un comando englobador para todos estos movimientos, así que el implante neural todavía debería detectar una señal más complicada. Al menos, el chip externo podría realizar parte del procesamiento para decodificar y comunicar estos comandos a los electrodos relevantes.

Para varios pacientes, este tipo de tecnología podría resolver apenas la mitad de su problema. Aquellas personas que han perdido la sensibilidad y la movilidad de sus extremidades podrían necesitar sistemas de dos vías para enviar sensaciones a su cerebro. Esta información podría provenir de sensores artificiales, pero idealmente el chip podría leer las sensaciones de nervios existentes y reenviarlas a chips que estimulen las áreas del cerebro que procesan la información táctil.

Aunque el trabajo ha sido más lento en este área, hay buena evidencia de que será posible algún día. Carmena, por ejemplo, quien está ahora en la Universidad de California, recientemente estimuló el cerebro de una rata para sentir a través de bigotes virtuales, provocándole un movimiento como si sus propios bigotes hubiesen tocado un objeto. Tecnología similar podría un día enviar información táctil a los cerebros humanos.

Si quieren aprovechar estos avances en chips cerebrales, los investigadores aún necesitan asegurarse de que son seguros y durables. La biocompatibiliad es un inmenso desafío, porque el tejido del cerebro puede rechazar un implante, matando todas las neuronas a las que se intenta conectar el dispositivo. Esfuerzos recientes indican que se podría mitigar este problema con un cultivo de hormonas, mientras que otros han mostrado chips que lentamente exudan células madre.

Luego está el problema de llevar energía a los dispositivos. La mayoría de los implantes existentes están conectados a una batería fuera de la cabeza que se puede reemplazar con regularidad. Los electrodos en la espina y las extremidades se pueden energizar de esta manera, pero es poco práctico para un chip ubicado profundamente en el cráneo. En lugar de eso, deberán ser recargados por campos electromagnéticos generados por un dispositivo externo, por lo que el consumo debería ser mínimo.

Una solución podría ser derivar el procesamiento complejo a una computadora portátil fuera del cuerpo, antes de pasar la información de vuelta a los chips que estimulan el sistema nervioso. En este camino, Reid Harrison, en la Universidad de Utah, ha producido un chip neural que solo usa 8 milliwatts. Eso es menos que el LED de «stand by» en el frente de un televisisor.

Riesgos de seguridad.

Todas las piezas parecen caer en su lugar, pero pase lo que pase, falta un largo tiempo antes de que estos chips se puedan usar en el tratamiento masivo. La Administración de Drogas y Alimentos de EE.UU. exige diez años de pruebas en animales antes de que se declare seguro un chip como para que se lo implante en cerebros humanos. Eso significa que la tecnología reciente, como los chips que estimulan las sensaciones táctiles, requerirán pruebas extensivas antes de que puedan comenzar los ensayos clínicos.

Aún así, una vez que se apruebe la tecnología, quedarán por resolver las cuestiones sociales relativas al tratamiento. Tal como la seguridad, por ejemplo. El último año, un equipo de investigadores alteró exitosamente un marcapasos y un defibrilador a través de la conexión inalámbrica con la que los médicos ajustan su funcionamiento. A pesar de que el dispositivo no estaba implantado en nadie, alertó sobre la posibilidad de que se pueda irrumpir el tratamiento del paciente.

Para empeorar el asunto, no hay en la actualidad una manera de proteger un defibrilador o marcapasos de un hacker sin inhibir a un doctor de la posibilidad de acceder a ellos. Dado que las prótesis neurales dependerán fuertemente de vínculos inalámbricos para comunicar los diferentes componentes, el peligro puede ser todavía mayor para esa tecnología.

Quizás sea más compleja la cuestión de la responsabilidad legal. Si alguien con una prótesis neural golpeara a alguien, ¿de quién sería la culpa? La acción puede ser deliberada, en tal caso es culpa del paciente. O tal vez el chip ha fallado, con lo cual la responsabilidad podría recaer sobre el fabricante. Descubrir dónde está la verdad no será una tarea fácil. La ley ha tenido problemas relacionándose con coches que se estacionan solos, ni pensar en una extremidad controlada electrónicamente que se ha enloquecido.

Fuente: New Scientist. Aportado por Matías Buonfrate

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