Sillas de ruedas y robots hacen el trabajo de la médula espinal

Los neurocientíficos están inspirándose en el control motor natural para diseñar nuevos dispositivos protésicos que puedan sustituir mejor la función de las extremidades. En un nuevo trabajo, los investigadores han probado una gama de dispositivos controlados por el cerebro -desde sillas de ruedas hasta robots, pasando por extremidades evolucionadas- que desarrollan tareas de forma inteligente en conjunción con sus usuarios.

Estos dispositivos neuroprostéticos decodifican señales cerebrales para determinar las acciones que sus usuarios quieren realizar, y luego usan robótica avanzada para hacer el trabajo de la médula espinal: la orquestación de los movimientos. El uso del control compartido – nuevo en las neuroprótesis – «permite a los usuarios realizar tareas complejas», dice José del R. Millán, que presentó ayer el nuevo trabajo en la conferencia de la Sociedad de Neurociencia Cognitiva (SNC), en San Francisco (EE.UU.).

Millán, que es un investigador español del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (Suiza), comenzó su carrera diseñando robots autónomos que podían aprender de sus propias experiencias. Luego se interesó en conseguir que estos robots ayudaran a las personas con discapacidad de una «forma muy natural, directa e intuitiva. ¿Y qué más directo que decodificar la intención del usuario a partir de sus señales cerebrales?»

Así, Millán comenzó a trabajar en «interfaces cerebro-ordenador» (BCI, por sus siglas en inglés), diseñando dispositivos que utilizan la propia actividad cerebral de las personas para restaurar el agarre de las manos y la locomoción, o proporcionar movilidad a través de sillas de ruedas o robots de telepresencia, utilizando la propia actividad cerebral de las personas.

«Las prótesis y robots que controlan nuestros BCI son inteligentes, ya que pueden interpretar muchos detalles de bajo nivel que no necesariamente están codificados en los comando mentales», dice. Es importante destacar que también trabajan de forma autónoma si los usuarios no quieren cambiar su comportamiento. Esta función refleja cómo nuestras áreas profundas del cerebro, la médula espinal, y el sistema musculoesquelético, trabajan juntos en muchas tareas rutinarias, lo que permite a nuestros cuerpos hacer tareas sencillas, mientras centramos nuestra atención en otra parte.

Pruebas

En su último trabajo, Millán y sus colegas probaron una variedad de dispositivos controlados por el cerebro en personas con discapacidades motoras, muy graves en algunos casos. Los participantes completaron con éxito tareas que van desde la escritura a la navegación en niveles de rendimiento similares a los de los grupos de control sanos.

Los individuos operaban los dispositivos modulando de forma voluntaria y espontánea la actividad eléctrica del cerebro, llamada EEG, para enviar comandos. La EEG tiene la ventaja de que se puede registrar de forma no invasiva a través de sondas en el cuero cabelludo, en lugar de requerir cirugía o maquinaria sofisticada. «También proporciona una visión global de nuestros patrones cerebrales, que es necesaria para decodificar toda la variedad de correlaciones neurales que queremos explotar», explica Millán.

Los participantes necesitaron un periodo de formación relativamente corto, de no más de 9 sesiones, antes de ser capaces de operar los dispositivos. Y aquellos que manejaron robots de telepresencia pudieron navegar con éxito a través de ambientes que nunca habían visitado. La clave de su éxito, dice Millán, fue el concepto de control compartido -utilizando las capacidades sensoriales de los robots para interpretar los comandos de los usuarios en su contexto.

El BCI procesa las intenciones y la toma de decisiones de la corteza cerebral de los usuarios principalmente. Pero, Millán señala que muchos elementos de los movimientos más complejos se dirigen desde el tronco cerebral y la médula espinal. Al diseñar el dispositivo inteligente para que controle desde la BCI los movimientos de nivel inferior en concierto con la actividad cerebral de nivel superior, las neuroprótesis se acercan más al control motor natural. «Nuestro objetivo es interactuar con estas neuroprótesis como si fueran nuestro nuevo cuerpo, utilizando las mismas señales neurales y los principios que controlan los músculos», dice Millán.

Sillas de ruedas

Como un ejemplo de los nuevos tipos de neuroprótesis, Millán apunta a una silla de ruedas controlada por el cerebro que él y sus colegas diseñaron y sobre la que publicaron un artículo el año pasado. Sus usuarios pueden manejarla de forma fiable y segura durante largos períodos de tiempo, como resultado del sistema de control compartido, que reduce la carga de trabajo cognitivo.

Las sillas de ruedas se encuentran actualmente en la fase de evaluación, para asegurarse de que van a funcionar en las condiciones de la vida diaria.

Dos de los mayores retos para las neuroprótesis son encontrar nuevas interfaces físicas, además de la EEG, que puedan funcionar de manera permanente y durante largos períodos de tiempo, así como el abastecimiento de rica retroalimentación sensorial. «Esta información sensorial hará que los usuarios sientan la neuroprótesis y el entorno, lo cual es esencial para promover el sentimiento de propiedad del usuario sobre la prótesis», añade Millán.

«El tercer reto importante es el que está en el núcleo de la neurociencia cognitiva: Debemos decodificar e integrar en el bucle de control de la prótesis información sobre los procesos cognitivos de percepción del usuario que son cruciales para la interacción volitiva «, dice. Estos procesos incluyen la conciencia de los errores cometidos por el dispositivo, la anticipación de los puntos de decisión críticos y los lapsos de atención.

«Las futuras neuroprótesis – robots y exoesqueletos controlados a través de una BCI – estarán fuertemente acopladas con el usuario de tal manera que el sistema resultante puede sustituir y restaurar las funciones de las extremidades deterioradas porque va a ser controlado por las mismas señales neuronales que sus contrapartes naturales», explica Millán.

«Esto ya no es ciencia ficción; las preguntas son ahora cuáles son los componentes clave para garantizar la fiabilidad y el funcionamiento a largo plazo de las neuroprótesis, y cuando serán parte de la cartera de productos clínicos disponibles para las personas con discapacidad motora».

Referencia bibliográfica:

José del R. Millán: The Rise of Neuroprosthetics: The Perception-Action Closed Loop. Cognitive Neuroscience Society conference (2015).