UNA PRÓTESIS CONECTADA AL CEREBRO PODRÍA AYUDAR A LOS AMPUTADOS A SENTIR EL TACTO
August 12, 2020
TECNOLOGÍA: PRÓTESIS ORTOPÉDICAS INTELIGENTES
Nuestra capacidad para agarrar y manipular objetos se basa en la retroalimentación de nuestro sentido del tacto. Sin estas señales de la mano, tendríamos problemas para realizar incluso las actividades más básicas de la vida diaria, como atarnos los zapatos o girar el pomo de una puerta.
El tacto es incluso fundamental para la comunicación emocional. Tocamos a las personas que nos importan y eso hace que nuestras extremidades se sientan parte de nosotros.
La ciencia ha realizado tremendos avances en la tecnología que aprovecha las señales del cerebro para permitir que los pacientes muevan las prótesis, pero la incorporación de retroalimentación sensorial en tiempo real no solo aumentaría la destreza y la utilidad de las prótesis robóticas, sino que también las haría sentir como extensiones naturales. de nuestros cuerpos.
En mi laboratorio de la Universidad de Chicago, estamos trabajando para comprender mejor cómo el sistema nervioso sensorial captura información sobre la superficie, la forma y la textura de los objetos y la transmite al cerebro. Nuestra última investigación crea un plan para la construcción de prótesis sensibles al tacto que algún día podrían transmitir información sensorial en tiempo real a los amputados y tetrapléjicos a través de una interfaz directa con el cerebro.
Para restaurar la función motora sensorial de un brazo, no solo debe reemplazar las señales motoras que el cerebro envía al brazo para moverlo, sino que también debe reemplazar las señales sensoriales que el brazo envía de regreso al cerebro. Creemos que la clave es invocar lo que sabemos sobre cómo el cerebro procesa la información sensorial y luego intentar reproducir estos patrones de actividad neuronal mediante la estimulación del cerebro.
La investigación es parte de un proyecto para crear un miembro superior artificial modular que restaurará el control motor natural y la sensación en amputados y ha involucrado a muchas personas del mundo académico, el gobierno y los negocios. Nuestro equipo está trabajando específicamente en los aspectos sensoriales de estas extremidades.
En una serie de experimentos con monos, cuyos sistemas sensoriales se parecen mucho a los de los humanos, identificamos patrones de actividad neuronal que ocurren cuando los monos sostenían o manipulaban objetos de forma natural. Luego indujimos con éxito estos patrones a través de medios artificiales.
Durante las tareas para identificar cuándo y dónde se ha tocado la piel y cuánta presión se está ejerciendo, los animales respondieron de la misma manera al contacto físico real que a la estimulación artificial de la corteza sensorial del cerebro.
El resultado de estos experimentos creó un conjunto de instrucciones que pueden incorporarse en un brazo protésico robótico para proporcionar retroalimentación sensorial al cerebro a través de una interfaz neuronal. Dicha retroalimentación acercará estos dispositivos a ser probados en ensayos clínicos en humanos.
Los algoritmos que usamos para descifrar las señales del motor han recorrido un largo camino, donde ahora puede controlar los brazos con siete grados de libertad, la cantidad de formas en que el brazo humano puede girar. Es muy sofisticado.
Pero creo que existe un fuerte argumento de que las prótesis que buscan ser extensiones de nosotros mismos no serán clínicamente viables hasta que la retroalimentación sensorial también se incorpore al sistema. Cuando lo sea, la funcionalidad de estas extremidades aumentará sustancialmente.
High five! PNAS
Universidad de Chicago
Autoría
Sliman Bensmaia
Investigador principal, Universidad de Chicago
Intereses de investigación
Codificación neuronal y la base neuronal de la percepción
Percepción de la textura
Somos exquisitamente sensibles a la textura de la superficie, capaces de distinguir entre materiales muy finos, como el satén y la seda. Estas habilidades se basan en tres poblaciones diferentes de receptores que inervan la piel y recurren a diferentes estrategias de codificación. De hecho, las características espaciales burdas se reflejan en patrones espaciales de actividad en una población de aferentes, mientras que las características finas, que requieren movimientos exploratorios para ser tangibles, se codifican en patrones temporales precisos de picos en las otras dos poblaciones de receptores. El procesamiento de texturas táctiles nos brinda una oportunidad única para investigar cómo operan los diferentes códigos neuronales y cómo estos códigos se integran para culminar en una percepción sensorial unificada.
Propiocepción
Somos conscientes de la posición y los movimientos de nuestras extremidades en el espacio y estas señales sensoriales son críticas para nuestra capacidad de planificar y realizar acciones motoras. A pesar de su importancia, se sabe poco acerca de cómo la información propioceptiva sobre la extremidad se codifica en las respuestas de las neuronas en la corteza somatosensorial primaria (S1). Para llenar este vacío, rastreamos los movimientos de la extremidad mientras los animales realizan diferentes tareas motoras mientras registramos la actividad evocada en las neuronas S1. Luego usamos una variedad de técnicas matemáticas para revelar qué aspectos de la respuesta neuronal transmiten información sobre los movimientos y la postura de las manos.
Neuroprotésica
Un enfoque para restaurar la función sensoriomotora en pacientes amputados o tetrapléjicos consiste en equiparlos con brazos robóticos antropomórficos que están conectados directamente con el sistema nervioso. Para controlar estos brazos, no solo la intención motora debe traducirse en movimientos de la extremidad, sino que las señales sensoriales deben transmitirse desde la extremidad al paciente. De hecho, sin estas señales, controlar el brazo es muy lento, torpe y laborioso. Con esto en mente, desarrollamos enfoques para transmitir sensaciones significativas y naturalistas a través de la estimulación de neuronas periféricas o corticales, intentando reproducir, en la medida de lo posible, los patrones de activación neuronal que son relevantes para la manipulación básica de objetos. Anticipamos que estos estudios constituirán un paso importante para devolver el toque a quienes lo han perdido.
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