Más de 600 inválidos con su mente, sin cables, usan el brazo robótico para beber con una pajita. En el Hospital Universitario de Alicante encontramos lo más avanzado

Mover el brazo robótico con el pensamiento

Pasqual Bolufer, miembro del Institut Químic de Sarrià (IQS-Universitat Ramon Llull) y de la Asociación Española de Comunicación Científica (AECC)18/09/2014
La noticia no es de esta semana pero la investigación es reciente, estamos en los comienzos. Ahora enseñamos al ordenador a entender las señales eléctricas del cerebro, más adelante lograremos que el ordenador mueva tus músculos, y acabaremos con la parálisis cerebral. El tetrapléjico, que no mueve brazos ni piernas. Y se ahoga. Las enfermedades del cerebro son muchas, pero tienen algo en común, como el cerebro controla tu cuerpo, al enfermar el cerebro te provoca invalidez.

En este artículo queremos prestar especial atención a la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), que provoca una invalidez máxima hasta, transcurridos unos 5 años de media, se produce su fallecimiento.

La electricidad cerebral y el sistema nervioso

Recordemos lo más básico. Se trata de una unión intercelular funcional entre una neurona y una célula efectora (casi siempre glandular o muscular). En estos contactos se lleva a cabo la transmisión del impulso nervioso. Este se inicia con una descarga química, que origina una corriente eléctrica en la membrana de la célula presináptica (célula emisora). Una vez que este impulso nervioso alcanza el extremo del axón de la neurona, la propia neurona segrega un tipo de compuestos químicos, los neurotransmisores, que se depositan en el espacio sináptico.

Este es el espacio intermedio entre la neurona transmisora y la neurona postsináptica, o receptora. Las substancias segregadas, los neurotransmisores, son noradrenalina y acetilcolina, entre otros. Son los encargados de excitar o inhibir la acción de la otra célula, la postsináptica. Estos enlaces químico-eléctricos envían señales a otras células del cerebro, o de una glándula, o de un músculo. Hay 3 tipos de señales:

  • Tipo aminoácido: son neurotransmisores entre dos neuronas.
  • Tipo éster, neurotransmisor: entre una neurona y una célula muscular.
  • Tipo neuropéptido: entre una neurona y una célula secretora.
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Fig.1 Exoesqueleto con 128 sensores EEG pegados al cuero cabelludo. Max Planch Research.

Durante la sinapsis se liberan compuestos neurotransmisores ionizados, con base química, cuya cancelación de carga provoca la activación de receptores, que a su vez, generan otro tipo de respuestas químico-eléctricas.

Cada neurona se comunica al menos con otras mil neuronas, y puede recibir simultáneamente hasta 10.000 más conexiones de otras. En el cerebro humano adulto hay entre 100 y 500 billones de conexiones sinápticas. Este número disminuye con el paso de los años. La red de circuitos neuronales controla todos los sistemas del cuerpo.

Desde el punto de vista funcional una neurona tiene 3 partes: el cuerpo, o soma, las dendritas y el axón. Las dendritas y el axón hacen posible la sinapsis. Las dendritas reciben información de otras células. El axón emite el impulso eléctrico. La sinapsis puede tener corto alcance, o mucha distancia. Por ej.: Las neuronas de la columna dorsal se comunican con los músculos, para dar lugar al movimiento, sinapsis neuromuscular. El canal de unión de una neurona postsináptica tiene una anchura de unos 20 nm, llamada hendidura sináptica.

  • Sinapsis eléctrica: la transmisión entre neuronas se logra sin neurotransmisores, con el paso de iones, la unión gap, es una transmisión bidireccional de potenciales de acción. La sinapsis eléctrica es más rápida que la química.
  • Sinapsis química: Las células están separadas entre sí unos 20-30 nm, la hendidura sináptica. La liberación de neurotransmisores es iniciada por el impulso nervioso, el potencial de acción, la entrada de iones de calcio, los cuales cambian el potencial de la membrana local.

La respuesta de una neurona depende de las señales que recibe de otras, con las que puede tener distintos grados de influencia, dependiendo de la fuerza de la sinapsis con esa neurona. John Eccles realizó experimentos importantes en investigación sináptica, por los que recibió el Premio Nobel en 1963.

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Fig.2 Paralítico con EAL, con el pensamiento intenta subir la pelota en la pantalla.

El electroencefalograma

Para conocer la actividad cerebral no hace falta insertar electrodos en el cuello cabelludo de la cabeza. Los electrodos del encefalograma (EEG) se sienten pegajosos y extraños sobre el cuero cabelludo. El EEG mide la actividad eléctrica de las células del cerebro, unas señales llamadas Impulsos. Los electrodos del EEG son unos discos metálicos planos, que se sostienen en su lugar con una pasta adhesiva. Los electrodos están conectados con cables a una impresora, en donde las señales eléctricas forman líneas onduladas, con potencial eléctrico ondulante, con las siguientes frecuencias: Delta 1-3 Hz, Theta 3,5-7,5 Hz, Alpha 8-13 Hz, Beta 12-30 Hz, Gamma 25-100 Hz. El exoesqueleto-casco contiene 128 electrodos, y cada uno puede registrar 40 bandas de frecuencia. Cada medición consta de 5.000 variables.

Red neuronal por defecto

Mientras la mente está en reposo las regiones del cerebro colaboran entre sí, y manifiestan actividad eléctrica. La Red Neuronal por Defecto (RND) prepara al cerebro para la actividad consciente, y las alteraciones de la RND son la causa subyacente de errores mentales, desde la enfermedad de Alzheimer hasta la depresión. En Alemania usan esta RND en los inválidos de EAL, que ya no disponen de células motoras del córtex.

El brazo robótico del Hospital Universitario de Alicante

El Dr. J.Climent, jefe del Servicio, nos informa que el pasado mes de julio de 2014 el Servicio de Rehabilitación del Hospital realizó con éxito las primeras pruebas del brazo robótico, para ayudar a tetrapléjicos con derrame cerebral. Una red de sensores en la cabeza del enfermo, el llamado exoesqueleto, detecta la actividad cerebral, es decir, la voluntad del enfermo, que desea beber. A continuación la mano robótica acerca el vaso a los labios. Así de sencillo.

El Servicio de Neuroingeniería Biomédica de la Universidad Miguel Hernández entregó el brazo robot al Hospital. El brazo robótico del maniquí es igual que un brazo normal con 5 dedos, pero hecho con materiales metálicos y plásticos. Se trata de 5 enfermos que han sufrido accidentes cardiovasculares, o traumatismos con daño cerebral, imposibilitados de mover brazos y piernas. La interfaz cerebro-maniquí funciona. El enfermo realiza tareas de alcance y aproximación. La interfaz detecta la intención del paciente de realizar una tarea de alcance del vaso situado enfrente.

Otro tema es la recuperación del movimiento. En las piernas es algo más fácil, en los brazos no tanto. El exoesqueleto que lleva como casco el paciente transforma las ondas cerebrales en señales para los motores del maniquí que mueven la mano.

El exoesqueleto manda al robot

¿Quién inventó el cerebro artificial que manda al robot? Es difícil averiguarlo, pues son varios los países que han desarrollado el brazo robótico.

Durante la Copa Mundial 2014, 12 de junio, en el estadio de Sao Paulo, Brasil, la multitud guardó silencio cuando un tetrapléjico se levantó de su silla de ruedas, portando su exoesqueleto, dio varios pasos y pegó una patada al balón. Alentaba el espectáculo un neurocientífico, Dr. Miguel Nicolelis, que en su laboratorio de Duke University, Carolina del Norte, había desarrollado el exoesqueleto con electrodos implantados en el cuero cabelludo, era el año 2002, luego fue perfeccionando el exoesqueleto. El Dr. Miguel Nicolelis es el director del International Institute of Neoroscience en Natal, Brasil, con 8 enfermos cerebrales, financiado por elgGobierno con 15 millones de dólares, por su ciencia de alto nivel. En los sensores del cerebro Nicolelis usó primero electrodos implantados, pero luego adoptó los sensores del EEG, adheridos a la piel, no eran necesarios los electrodos implantados, que pueden causar una infección. Tenía en cuenta que los beneficiarios serían 20-25 millones de paralíticos cerebrales en el mundo.

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Fig.3 El Dr. Miguel Nicolelis ha colocado el casco-exoesqueleto sobre el balón chutado por un parapléjico, mayo 2014.

La interfaz cerebro-robot en Tübingen

Max Planck Institute también desarrolla el exoesqueleto para los enfermos de esclerosis amiotrófica lateral (EAL), inválidos totales. Para ellos la parálisis comienza gradualmente hasta aislarlos totalmente del mundo exterior. En Tübingen Max Planck enseña a los ordenadores a leer la mente del paralítico. Las neuronas motoras son las células nerviosas que controlan los músculos. El centro de control de esas neuronas se encuentra en el córtex cerebral. Si esas neuronas motoras fallan, van muriendo, no es posible mover los músculos, aunque estén intactos. La velocidad del empeoramiento es variable según qué enfermos.

Algunos, después de 4 años de su diagnóstico casi no pueden hablar, con dificultades para ingerir alimentos, con la lengua y la laringe medio paralizadas. Una solución es utilizar un tubo para llevar el alimento líquido al estómago. El enfermo usa un ordenador, para expresar lo que quiere decir. En Alemania hay unos 15.000 enfermos EAL.En algunos casos los músculos del ojo lo bloquean. El paciente está atrapado en su propio cuerpo, y ni siquiera puede decir qué le hace daño. Está como dormido con pérdida de la conciencia. Una invalidez que solo le permite dar a conocer sus pensamientos, o más bien, su actividad cerebral. Solo puede contestar sí o no. ¿Le duele algo?

Para que salgan de esa prisión interior hemos de interpretar sus pensamientos, crear un enlace entre el cerebro y el mundo exterior, sin usar los músculos. Procesar las señales que parten del cerebro, y con ellas el parapléjico puede accionar una mano robótica. Eso es posible, puede guiar a la mano robótica hacia una botella con alimento líquido. El enfermo con una pajita puede absorber el líquido sin que le ayude nadie.

Los electrodos implantados en el cráneo captan la actividad de las neuronas. Es curioso que movimientos solo imaginados estimulen a las neuronas del córtex. En muchos paralíticos el córtex motor continúa activo, aunque el cuerpo no puede ejecutar movimientos. Los electrodos captan las señales de las neuronas, las introducen en el ordenador, el cual las convierte en impulsos que mueven el brazo robótico. Por supuesto, el paralítico tiene que ir aprendiendo, y con solo imaginar movimientos en su mente controlan al robot. En EE UU se han conseguido avances impresionantes.

Esta solución no se puede aplicar a los enfermos EAL, porque falla precisamente el córtex motor.

Hay inválidos que no pueden mover ni el brazo robot. Los científicos de Tübingen les ofrecen una pantalla de ordenador en donde hay una pelota en medio. Es una sesión de hasta 5 horas. Con su mente ellos pueden subir la pelota (decir sí) o bajar la pelota (decir no). El paciente lleva un casco en la cabeza con los electrodos planos de EEG. La calidad de la señal con electrodos EEG es inferior a la señal del casco con electrodos implantados, pero es suficiente, porque podemos entrenar al ordenador a distinguir una señal de otra, a interpretar las bandas de frecuencias EEG.

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Fig.4 Exoesqueleto para las piernas, diseñado por M.Nicolelis y colocado sobre un maniquí. Todavía no se ha probado en paralíticos. Sao Paulo.

Estamos en los comienzos, el ordenador convertirá los pensamientos del paciente rápidamente en órdenes de mando de respuesta. Es decir, interpreta que el enfermo desea levantar la pelota en la pantalla. Al preguntar al enfermo si está sufriendo, él contestará con rapidez. Los problemas no terminan, porque cada enfermo tiene su potencial de neurona, y depende además del humor en que vive cada día. Al avanzar la enfermedad los métodos fallan. Pero ayudar a los enfermos es más importante que trabajar en robótica.

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Fig.5 Dendrita, núcleo y axón, los 3 componentes de la neurona.

Referencias

  • Cheung, Ch. Using the brain to move a robotic arm. Nature July 21 2014.
  • Moisse K. Paralyzed woman moves robotic arm with her mind. Nature May 16 2014.
  • Murray, B. Disorders of upper and lower motor neurons. Bradley’s Neurology. Saunders Elsevier 2012.
  • Schröder, T. A way out of the inner prison. Max Planck Research 2/2014.
  • Servick, K. Kickoff looms for demo of brain-controled machine. Science, 6 june 2014.
  • Shaw, P.J. Amyotrophic lateral sclerosis disease. Cecil Medicine Philadelphia Saunders Elsevier 2011.

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