¿NEUROPROTESIS?
Una neuroprótesis es la implantación de un chip en el cerebro. Este tipo de técnicas se están estudiando principalmente con la finalidad de dotar de movilidad a personas parapléjicas, amputadas o con dificultades motrices.
Procedimiento
Esto se logra mediante la creación de modelos matemáticos biológicamente realistas de las funciones del cerebro, la producción de microchips biomiméticos que incorporan estos modelos y su integración al sistema nervioso central. El procedimiento consiste en la implantación de microchips de silicio dotados de finos electrodos en el cerebro. Los primeros microchips utilizados utilizaban grandes cantidades de metal, lo que provocaba el rechazo por parte del portador, cosa que con los microchips de silicio no ocurre. Además, se trabaja con electrodos de oro, ya que este metal también provoca un menor rechazo.
Experimentos animales
En 2007 los experimentos de implantación de chips en animales con el fin de controlar funciones superiores han sido un éxito. Estos experimentos se vienen realizando desde los años 1980, si bien la mejora del material informático ha impulsado mucho este campo.
Mediante experimentos con monos John Donoghue, pionero de este campo adscrito a la Universidad de Brown en Providence, demostró en 2002 que mediante el control de solamente entre 7 y 30 neuronas se puede controlar el movimiento de una mano.
El mismo año, Andrew Schwartz, de la Universidad de Pittsburgh, consiguió que sus monos se alimentaran mediante un brazo mecánico que controlaba con una neuroprótesis.
Otro investigador, Miguel Nicolelis, de la Universidad de Duke en Carolina del Norte, realizó simultáneamente experimentos similares, logrando que sus monos movieran a voluntad una mano artificial recompensándolos con caricias.
Experiencia en humanos
La transmisión sináptica ha sido estudiada mediante la neurociencia con excelentes resultados. Los receptores de los nervios sensitivos en la piel detectan las sensaciones y envían una señal al cerebro. La señal recorre el nervio sensitivo hasta la médula espinal. Una sinapsis en la médula espinal conecta el nervio sensitivo a un nervio de la médula espinal. El nervio cruza al lado opuesto de la médula espinal. La señal asciende por esta y una sinapsis en el tálamo conecta la médula espinal a las fibras nerviosas que llevan la señal a la corteza sensorial. La corteza sensorial percibe la señal e impulsa a la corteza motora a generar una señal de movimiento. El nervio que lleva la señal cruza al otro lado en la base del cerebro, la señal desciende por la médula espinal. Una sinapsis conecta la médula espinal al nervio motor. La señal a lo largo del nervio motor alcanza el final de la placa motora, desde donde estimula el movimiento muscular.
Además, se ha logrado traducir los impulsos neuronales para hacerlos capaces de mover un cursor de ratón o incluso prótesis. Los estudios para extender esa transmisión a extremidades propias cuya movilidad se ha perdido están en marcha.
El BrainGate es una interfaz cerebro-ordenador (ICC), o tecnología BCI (Brain-Computer Interface), gracias al cual los investigadores que trabajan con él, con John Donoghue a la cabeza esperan permitir la recuperación de la movilidad a personas parapléjicas.
. EL IMPLANTE AUDITIVO
El implante auditivo o implante coclear de oído trabaja usando la es -
truc tura tonotópica de la membrana basilar del oído interno. Esta es -
tructura, también conocida como mapa de fre cuencia/posición, permite que el oído filtre las frecuencias para que el cerebro pueda procesar
la información acústica. En un oído normal, las vibraciones acústicas
se sitúan en el área cercana a las vibraciones resonantes de la membrana basilar dentro del laberinto.
Los sonidos de alta frecuencia no atraviesan la membrana, pero sí
los sonidos de frecuencia baja. Se pueden distinguir sonidos sobre una
gama de diez octavas, desde 20 hasta 20 khz. Mientras que la relación
entre el sonido más intenso y el sonido más débil es de 120 decibeles.
El movimiento de células ciliadas localizadas cerca de la membrana basilar genera impulsos eléctricos en la rama utricular del nervio
vestibular. El cerebro interpreta la actividad del nervio y determina el
área de la membrana basilar que está resonando, y por consiguiente
la frecuencia audible que está escuchándose.
En la figura 1 se muestra el esquema de un implante de cóclea, en
el cual el sonido es detectado por un micrófono y la señal es convertida en una señal digital. El procesador externo envía una señal de
ra diofrecuencia al procesador en el implante interno, donde la
se ñal es convertida en impulsos eléctricos para activar unos electrodos que estimulan el nervio auditivo y el cerebro percibe las señales como si fuera un oído normal.
Existen varios algoritmos para el procesamiento de la señal; así, en
el modo más simple, la amplitud de la señal acústica se divide entre
el número de electrodos y el voltaje resultante se aplica a cada uno de
los electrodos. Los algoritmos de procesamiento, en la práctica, pueden ser más sofisticados, ya que la aplicación simultánea de voltaje a
cada uno de los electrodos puede causar que fluyan corrientes desbalanceadas entre los electrodos. Esto podría estimular los nervios de
manera indeseable y dañar el tejido, así como los electrodos, electrocutando esencialmente las células nerviosas individuales.
El algoritmo de Fourier usa filtros pasabandas para dividir la señal
en diferentes bandas de frecuencia. El procesador selecciona cierta
can tidad de las salidas más fuertes de los filtros. El número exacto de
salidas depende de varios factores, entre ellos el número de electrodos
implantados, tal como se muestra en la figura 2. Este algoritmo provee énfasis a la transmisión de los aspectos temporales del mensaje.
Otras estrategias de extracción de características usan rasgos que
son comunes a todas las vocales. Cada vocal tiene una frecuencia fundamental (el pico de frecuencia más baja) y frecuencias secundarias
(los picos con las frecuencias más altas). Los algoritmos mencionados
intentan reconocer la vocal y dar énfasis a sus rasgos, y estas estrategias dan énfasis a la transmisión de aspectos espectrales del mensaje.
Las estrategias de extracción de características no son muy usadas.
En la actualidad el microchip de procesamiento de señal está di se -
ña do para manejar cierta cantidad de actualizaciones de software, que
permiten usar las ventajas de nuevas técnicas de procesamiento sin
intervención quirúrgica.
En el 2006, cerca de 100 mil personas en el mundo usaban este tipo
de implante, según investigaciones de la Universidad de Michigan. En
la figura 3 se muestra una típica prótesis de oído.
. EL IMPLANTE DE VISIÓN
.En un ojo normal, la información de luz es captada por los fotorreceptores situados en la retina. Esta información se transmite a las células ganglionares, donde se interpreta y se envía al cerebro a través del
nervio óptico.
En un implante de retina los fotorreceptores que dejan de funcionar en la retina dañada son reemplazados por conos y bastones artificiales.
En la figura 4 se muestra el esquema de un implante de retina, en el
que una microcámara de video montada sobre unas gafas transmite
la imagen a un procesador externo; la señal es procesada y transmitida por radiofrecuencia al procesador del implante interno (3) mediante el cual un arreglo de electrodos (4) en las células ganglionares envía
impulsos al nervio óptico, que transmite la información al cerebro.
En febrero del 2007, la agencia federal de reglamentación de los
pro ductos farmacéuticos de Estados Unidos aprobó el ensayo
clí nico de prótesis conectadas al sistema nervioso para restaurar la vi -
sión. El Instituto de Ojos de la Escuela de Medicina de la Universidad
de California anunció el éxito de la primera prueba clínica sobre un
pequeño grupo de seis pacientes que usaron una nueva generación de
prótesis, Argus II Retinal Prosthesis System, dejando atrás la primera fase de los implantes, la que empezó en el 2002.
El arreglo que estimula el nervio óptico consta de 60 electrodos, los
mismos que incrementan la resolución de la imagen en comparación a
su versión anterior, que solo usaba 16 electrodos. Otros tipos de im -
plan tes usan un arreglo de microfotodiodos en vez de la cámara. El ob -
jetivo en este caso es inducir la regeneración de la retina mediante
estimulación eléctrica.
Las estrategias de procesamiento avanzado de implante de retina
propuesto por la Universidad de Bonn procesan la señal eléctrica proveniente de la cámara de video y la envían a un sistema virtual central, el cual —mediante un algoritmo inteligente o codificador de retina (Retinal Encoder) compatible con el sistema visual del cerebro y
con un mecanismo de aprendizaje en proceso continuo— regula la se -
ñal de salida de la cámara de modo que cada paciente en particular
puede percibir la imagen de una manera distinta, tal como se muestra
en la figura 5.
En la figura 6 se muestra una prótesis de visión y el ensayo del co -
dificador de retina. Al principio, el codificador no conoce el lenguaje
del córtex visual. Posteriormente, el software convierte la imagen sin
procesar en una serie de “dialectos” aleatorios, compatibles con el córtex visual y el paciente selecciona la forma más adecuada.