N.70 – Interfaces cerebro-computadora

Las interfaces cerebro-computador (Brain-Computer Interface – BCI) se avizoran entre las grandes novedades biotecnológicas de esta década. En términos de finalidades pueden distinguirse en la BCI dos grandes vertientes: (a) potenciar las capacidades y experiencias cognitivas (como algunos de los proyectos difundidos por Neuralink Corp., liderada por Elon Musk), y (b) restaurar capacidades motoras y de comunicación en personas que perdieron posibilidades de movimiento o expresión.

La presente reseña reúne, en primer lugar, dos artículos referidos a la BCI aplicada a la restauración de capacidades de comunicación: El primero (1) se refiere a los niveles de desempeño logrados en la capacidad de replicar la escritura manual, mientras que el segundo (2) trata sobre la capacidad de participar activamente en redes sociales virtuales. Esta reseña incluye también cuatro artículos atinentes a la recuperación de capacidades visuales y auditivas. Los artículos tercero (3), cuarto (4) y quinto (5) presentan sistemas para restaurar formas de visión en pacientes con discapacidad visual severa o ceguera. En el sexto (6) se presenta una cóclea artificial para “oído biónico” que funciona sin baterías

1.- Primer artículo: Interfaz cerebro-computador para superar discapacidades motoras: Notorias mejoras en los niveles de desempeño (1.1.) (1.2.) (1.3,)

BrainGate es una neurotecnología que utiliza microelectrodos implantados en el cerebro para permitir que personas afectadas en su movilidad operen dispositivos externos (como computadoras o extremidades robóticas) solo con su pensamiento. La FDA estadounidense autorizó a BrainGate Inc para realizar ensayos en humanos de tecnologías de interfaz cerebro-computadora (BCI). En el artículo aquí reseñado, investigadores del equipo de BrainGate Inc. describen un BCI intracortical que decodifica los intentos de movimientos de escritura manuscrita de la actividad neuronal en la corteza motora y los traduce a texto en tiempo real, utilizando un enfoque de decodificación de red neuronal recurrente. Con esta BCI, el sujeto del estudio, un paciente afectado por una lesión en la médula espinal, logró velocidades de escritura que superan a las reportadas para cualquier otra BCI.

En el paciente, que padecía una parálisis total desde el cuello hasta los miembros inferiores, se implantaron dos microelectrodos que registraban información de regiones del córtex asociadas con la escritura manual. El paciente debía imaginar que disponía de una hoja de papel y de un lápiz en su mano, y que estaba escribiendo en la hoja de papel. A partir del registro eléctrico de la actividad del cerebro, una computadora iba escribiendo los caracteres. Con esta técnica, el paciente logró escribir de 90 caracteres por minuto con una precisión del 94,1% en línea y del 99% fuera de línea; parámetros que superan a los reportados para cualquier otra BCI y comparables con los típicos -en teléfonos inteligentes- de personas en el grupo de edad del paciente (115 caracteres por minuto). Tales resultados muestran la viabilidad de decodificar con precisión –mediante BCI- movimientos rápidos y diestros de pacientes afectados por parálisis motora.

El equipo de investigación de BrainGate incluye a destacados neurólogos, neurocientíficos, ingenieros, informáticos, neurocirujanos, matemáticos y otros especialistas, todos ellos orientados al desarrollo de tecnologías de BCI para restaurar la comunicación, la movilidad y la independencia en personas afectadas por enfermedades neurológicas, o lesión o pérdida de una extremidad. Sus proyectos se orientan también a proporcionar un control constante y confiable sobre el entorno a personas que padecen esclerosis lateral amiotrófica (ELA), lesión de la médula espinal o accidente cerebrovascular.

2.- Segundo artículo: Un paciente paralizado por ELA envió un tweet con apoyo de un chip cerebral (2.1.) (2.2.) (2.3.) (2.4.) (2.5.)

Synchron, una compañía de medicina bioelectrónica neurovascular, desarrolló la interfaz cerebro-computadora (BCI) denominada Stentrode, la cual fue autorizada por la FDA estadounidense para ensayos en humanos. Sucesivos ensayos mostraron las posibilidades de Stentrode para permitir que pacientes con parálisis severa realicen tareas como enviar mensajes de texto y correos electrónicos o efectuar operaciones bancarias en línea, a través del pensamiento y sin necesidad de una cirugía cerebral abierta.

En el artículo aquí reseñado se describe cómo un varón australiano de 62 años de edad, afectado por una parálisis progresiva por padecer esclerosis lateral amiotrófica (ELA), pudo enviar un mensaje por Twitter utilizando el implante Stentrode^TM insertado a través de la vena yugular, tal como un stent común.

El paciente recibió el implante en abril de 2020 y lo había estado usando para conectarse con su familia, amigos y colegas a través de correo electrónico. Señala que el uso del implante resulta bastante “natural” una vez que se practica lo suficiente. Sólo se necesita pensar dónde se quiere hacer clic en la computadora y la interfaz permite enviar correos electrónicos, usar la banca en línea y servicios de compras. El CEO de Synchron -Thomas Oxley- señaló que la emisión del twit fue un hito importante en materia de BCI, destacando la conexión y la libertad que la tecnología ofrece a las personas que padecen parálisis motora.

3.- Tercer artículo: Ojo biónico para restaurar una forma de visión en pacientes que padecen discapacidad visual severa o ceguera causada por enfermedades degenerativas (3.1.) (3.2.) (3.3.)

Un equipo de investigadores biomédicos de la Universidad de Sydney y de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Sídney, Australia) está desarrollando un ojo biónico que, en modelo ovino, demostró ser seguro y estable para la implantación a largo plazo, allanando así el camino hacia los ensayos en humanos. El Phoenix99 Bionic Eye es un sistema implantable diseñado para restaurar una forma de visión en pacientes que padecen discapacidad visual severa o ceguera causada por enfermedades degenerativas, como la retinosis pigmentaria.

El sistema funciona estimulando la retina, que es la capa de tejido sensible a la luz que se encuentra en la parte posterior del globo ocular, donde se enfocan las imágenes que pasan a través del cristalino. En los ojos sanos la retina convierte esas imágenes en señales eléctricas y las envía al cerebro a través del nervio óptico. Ciertas enfermedades de la retina degeneran algunas de las células encargadas de esa conversión crucial y provocan problemas de visión. El sistema Phoenix99 elude las células que funcionan mal y estimula directamente las células restantes. Se destaca que no se registran reacciones inesperadas del tejido alrededor del dispositivo, previéndose que podrá permanecer en su lugar de manera segura durante varios años.

El ojo biónico funciona de la siguiente manera: (a) Se le implanta al paciente el Phoenix99, se coloca un estimulador en el ojo y se implanta un módulo de comunicación detrás de la oreja, (b) Una cámara muy pequeña (adjunta a las gafas) captura la escena visual frente al usuario, y las imágenes se procesan en un conjunto de instrucciones de estimulación, (c) Las instrucciones se envían de forma inalámbrica a través de la piel al módulo de comunicación de la prótesis, (d) El implante decodifica la señal inalámbrica y transfiere las instrucciones al módulo de estimulación, que envía impulsos eléctricos a las neuronas de la retina, y (e) Los impulsos eléctricos activan las neuronas que envían los mensajes al cerebro, donde las señales se interpretan como una visión de la escena. El equipo de investigación está gestionando la aprobación ética para realizar ensayos clínicos en pacientes humanos, mientras continúan desarrollando y probando técnicas de estimulación avanzadas.

4.- Cuarto articulo: Visión biónica para personas con degeneración macular asociada a la edad (DMAE) seca o atrófica (4.1.) (4.2.)

Unas 300 millones de personas en todo el mundo padecen de discapacidad visual, y más de 40 millones sufren ceguera total. La empresa de bioelectrónica Pixium Vision ganó el premio HealthTech Award 2020 por su Sistema Prima, una tecnología de visión biónica diseñada para permitir la visión de las personas con ceguera. El premio, que reconoce a los innovadores más avanzados de la tecnología de próxima generación para la atención médica en Europa, fue otorgado durante el MedTech Forum 2021 organizado por el Proyecto Nobel, con MedTech Forum como anfitrión

El Sistema Prima consiste en un sustituto fotovoltaico de fotorreceptores que permite el uso simultáneo de prótesis central y visión natural periférica para personas con degeneración macular asociada a la edad (DMAE) seca o atrófica. Los pacientes con DMAE de ojo seco experimentaron una mejora sustancial en la visión, y pueden acceder -al mismo tiempo- tanto a la visión central protésica generada por Prima System, como a su visión periférica restante. La empresa Pixium Vision incorpora los avances en microelectrónica, software inteligente, procesamiento visual y neurobiología, para construir sistemas de visión biónicos aptos para interactuar con sistemas de computación e inteligencia artificial (IA). El objetivo es utilizar la tecnología para compensar pérdidas graves de visión o enfermedades degenerativas de la retina, mejorando así la movilidad, la independencia y la calidad de vida de las personas con ceguera.

5.- Quinto artículo: Dispositivo para eludir obstáculos para personas con discapacidad visual (5.1.) (5.2.)

Las personas con discapacidad visual enfrentan un constante desafío para transitar y eludir obstáculos en entornos dinámicos o desconocidos. Si bien un bastón les permite detector objetos en proximidad inmediata, no les permite percibir obstáculos más lejanos, elevados por encima de la cintura, con patas (como mesas o sillas), entre otros que limitan su independencia. Si bien los recientes avances tecnológicos en sistemas de visión biónicos podrían mejorar sustancialmente la calidad de vida de esas personas, cabe recoocer que dichos avances se hallan aún en fases iniciales y no ofrecen retroalimentación multidimensional bajo diversas condiciones de iluminación.

En el artículo aquí reseñado -de investigadores de la Technical University of Munich (TUM)- se presenta un sistema para eludir obstáculos mediante la combinación de dos cámaras 3D infrarrojas con un brazalete de retroalimentación háptica (en forma de vibración), que permite a los usuarios mantener sus manos libres mientras “navegan” por su entorno. Las cámaras capturan una imagen estereoscópica del área circundante que se representa en 2D en el brazalete de retroalimentación háptica, a través de vibraciones en su antebrazo usuario. En las pruebas de funcionalidad del sistema, los usuarios pudieron identificar correctamente los patrones de vibración. El sistema se evaluó simulando una tarea de navegación en un sendero de prueba en total oscuridad. Todos los usuarios pudieron completar la tarea y mostraron una mejora en el rendimiento a través de sucesivas ejecuciones. El sistema es independiente de las condiciones de iluminación y se puede utilizar en espacios interiores y exteriores.

6.- Sexto artículo: Crean una cóclea artificial para “oído biónico”, que funciona sin baterías (6.1.) (6.2.)

La cóclea es la parte del oído interno que transforma las vibraciones de sonido en impulsos eléctricos que transitan por el nervio auditivo hacia el cerebro para ser reconocidos como sonidos. Muchos casos de sordera están relacionados con daños en la cóclea. Los actuales implantes de cóclea permiten restaurar la audición, pero todos esos dispositivos funcionan con baterías y presentan las correspondientes limitaciones (mayor tamaño, limitada duración, vida útil acotada, costo).

Investigadores de la Huazhong University of Science and Technology (China) desarrollaron una cóclea artificial que funciona sin baterías. Para construirla usaron nanopartículas de titanio de bario dentro de un polímero conductor para formar un material piezo-eléctrico que genera una señal eléctrica cuando es activado por ondas de sonido. El dispositivo está diseñado para producir una corriente eléctrica máxima para frecuencias de sonido de 170 Hz, que es el rango promedio de las frecuencias de una voz adulta.