December 8, 2021

Neurorobótica para la neurorrehabilitación | Ciencia

Los avances en la interconexión del sistema nervioso periférico (SNP) presentan una alternativa prometedora a la neuromodulación tradicional (1), particularmente para personas con amputaciones de miembros superiores (27). Se ha demostrado que los electrodos implantados disminuyen el dolor del miembro fantasma (PLP) en tales sujetos y permiten sensaciones táctiles casi naturales. Las personas con estimuladores neurales periféricos pueden incluso controlar la cantidad de fuerza ejercida por una prótesis y discernir entre objetos con diferentes adaptaciones y formas con prótesis (25). Estudios sucesivos han demostrado la utilidad a largo plazo de estas tecnologías (6, 7).

Habiendo logrado con éxito la estimulación funcional y la biocompatibilidad crónica a través de interfaces neuronales, el enfoque de la investigación de la neuromodulación se está desplazando hacia el logro de un diseño y una política de uso óptimos (8). Existe una gran variedad en las geometrías de los electrodos, los números de contacto de estimulación y la ubicación dentro del sistema nervioso (ver figura), así como en los posibles protocolos de estimulación. La optimización no se logrará con fuerza bruta sino que requiere el desarrollo de modelos computacionales (9, 10) capaz de explotar los conocimientos acumulados sobre este tema.

Cambiar el enfoque hacia las extremidades inferiores

Hasta hace poco, la mayoría de las investigaciones se han centrado en los amputados de mano, sin tener en cuenta la realidad clínica de que cuatro de cada cinco amputados tienen pérdida de miembros inferiores. Los sujetos con amputación de miembros inferiores con frecuencia no se involucran por completo en las actividades cotidianas porque tienen miedo a las caídas y no perciben la prótesis como parte de su cuerpo (“personificación” baja). Estas personas a menudo informan de poca satisfacción con sus prótesis, citando la prótesis como un peso excesivo, a pesar de que las extremidades protésicas suelen tener menos de la mitad del peso de una extremidad natural (11). También tienden a tener movilidad reducida (12), que puede inducir a un estilo de vida sedentario que favorece el desarrollo de enfermedades y dificulta la reinserción social. El PLP también es común y se maneja mal con los medicamentos actuales (13). Además, aquellos con amputaciones de miembros inferiores enfrentan costos metabólicos sustancialmente más altos mientras caminan, lo que resulta en un mayor riesgo de ataque cardíaco en comparación con la población general (14).

Hemos sido pioneros en un sistema humano-máquina que traduce las lecturas de los sensores protésicos a un “lenguaje” comprensible para el sistema nervioso, utilizando un modelo computacional detallado (9, 10) que indica un número óptimo de implantes para el nervio objetivo. En comparación con la variación de frecuencia tradicional, el modelo favorece la modulación de amplitud de corriente, para aumentar la eficiencia del mapeo y la estimulación de bucle cerrado (15).

La colocación del cable que conecta los implantes al estimulador es un problema de larga data y una causa frecuente de falla en las tecnologías implantables durante las pruebas clínicas (7, 8). Abordamos este problema durante la preparación quirúrgica mediante la implementación de un bucle de liberación y estabilización dentro del injerto de tejido de fascia con cables incrustados en el medio (14).

Recuperando la funcionalidad

Desarrollamos una “pierna sensora”, para amputados de miembros inferiores, conectando sensores desde la rodilla protésica y debajo del pie al SNP residual (ver la figura). Se logró una conexión efectiva equipando una prótesis controlada por microprocesador con una plantilla sensorizada desarrollada expresamente. Un controlador externo que se comunica de forma inalámbrica con la “prótesis sensorizada” transduce proporcionalmente la lectura de los sensores de la plantilla y la rodilla en parámetros de estimulación. El estimulador luego inyecta la corriente en los electrodos intraneurales, provocando sensaciones en la extremidad inferior faltante. Todo el proceso se desarrolló con un retraso imperceptible para el usuario, lo que permitió la neuromodulación en tiempo real en función del estado de la pierna.

Esta intervención permitió la recuperación de las percepciones ricas de las piernas y los pies (como el tacto, la propiocepción y ambos simultáneamente). Los usuarios pudieron reconocer cuando la pierna protésica (desconectada físicamente de su cuerpo y comunicándose de forma inalámbrica con los implantes) fue tocada en diferentes posiciones del pie, flexionada o ambas. Los usuarios también pudieron evitar un número sustancialmente mayor de tropiezos al caminar sobre obstáculos, mientras usaban anteojos que ciegaban su campo de visión inferior, que cuando no aprovechaban la retroalimentación restaurada.

Subir escaleras es a menudo un desafío para las personas amputadas por encima de la rodilla, lo que resulta en una cámara muy lenta y una fatiga considerable. Cuando la neuromodulación restauró la percepción de las extremidades, su movilidad aumentó sustancialmente (15).

Después de estas pruebas de laboratorio, los voluntarios salieron a un entorno más natural. Gracias al sistema neuromodulador totalmente portátil, su confianza aumentó y los sujetos pudieron caminar con mayor velocidad sobre lo que normalmente sería un terreno arenoso desafiante. Al mismo tiempo, el consumo metabólico de los voluntarios disminuyó cuando se activó el neurofeedback sensorial. La disminución del gasto de energía cuando se usa la neuromodulación podría potencialmente limitar la fatiga del sistema cardiovascular, un beneficio de salud tremendamente importante para las personas amputadas de miembros inferiores (14).

Modulación del PNS para abordar problemas centrales

Cuando se utilizó el sistema implantable en “modalidad de neuro-marcapasos” —estimulando el nervio sin conexión a la prótesis— se observó una reducción de PLP. A través de una estimulación somatotópica precisa, hemos evocado sensaciones agradables y cercanas a lo natural dentro de las regiones de dolor referido. Por el contrario, los dispositivos de estimulación comerciales entregan principalmente patrones de estímulos prefijados y a menudo ineficaces, que no provocan sensaciones fisiológicamente plausibles y no proporcionan un alivio efectivo (dieciséis), y los estimuladores de la médula espinal implican la inducción de parestesia (un hormigueo incómodo), que no siempre alivia completamente el dolor (17). Mientras tanto, los neuroestimuladores que se dirigen directamente al nervio periférico proporcionan estimulación no selectiva o inducen un bloqueo nervioso analgésico, los cuales tienen considerables inconvenientes (18). Nuestro tratamiento del dolor con neuromodulación representa un verdadero avance con respecto a los tratamientos existentes, ya que restauramos las percepciones naturalistas, revitalizando la vía fisiológica de las sensaciones. Además del inminente alivio del dolor, esto potencialmente induce cambios neuroplásticos beneficiosos a largo plazo a nivel del sistema nervioso central (SNC), ofreciendo no solo un efecto analgésico sino también “curativo”.

Como consecuencia de la restauración de sensaciones fisiológicamente plausibles, los sujetos experimentaron (“encarnaron”) la prótesis similar a una extremidad real. La realización se mide típicamente en escenarios “no funcionales” [such as rubber-hand experiments (19)]. Pudimos medir una encarnación funcional objetiva (20) aumentan durante nuestros experimentos con la pierna biónica, con y sin retroalimentación (15). El aumento de la encarnación neuronal disminuyó la percepción del peso (11) —Una percepción subjetiva influenciada por procesos cognitivos. La carga cognitiva cerebral, medida con electroencefalografía, también disminuyó al caminar con la neuroprótesis y al realizar una doble tarea (15).

Diferentes neurotecnologías para la interconexión del sistema nervioso periférico (SNP)

Se utilizan varios tipos de electrodos neurales en personas con amputación de miembros superiores e inferiores para recibir información de los sensores de prótesis y transducirla en estimulación eléctrica, restaurando la sensación de los apéndices faltantes.

GRÁFICO: C. BICKEL /CIENCIA BASADO EN S. RASPOPOVIC

Revelando Mecanismos Neurorobóticos

La neuromodulación desencadenada por un dispositivo robótico influye en las estrategias sensoriomotoras empleadas por los usuarios, mediante su integración en su sistema nervioso “tradicional”. Para comprender mejor los mecanismos subyacentes, medimos las características de la marcha de las piernas amputadas durante tareas motoras de diferente dificultad mientras usaban la neuroprótesis. Realizaron una tarea fácil (caminar sobre el suelo) y una tarea desafiante (subir y bajar escaleras) mientras se recolectaban parámetros de la marcha y neuroestimulantes. La neuroprótesis reformuló la cinemática de las piernas de los sujetos hacia una marcha más fisiológica debido a estrategias sensoriomotoras que permitieron a los usuarios explotar intuitivamente varias características del código neuronal durante diferentes tareas (21). Estas estrategias incluyeron un orden temporal diferente o el uso espacial de los canales de estimulación, lo que resultó en códigos neuronales integrados intuitivamente simples pero robustos para diferentes comportamientos motores. En un escenario hipotético, que requería que una pierna amputada simulara conducir un automóvil convencional, demostramos una estimación de presión más fina de la prótesis, lo que sugiere que incluso un código neuronal simple podría mejorar efectivamente los dispositivos neuromoduladores portátiles.

Estos estudios no solo proporcionaron pruebas claras del beneficio de la neuromodulación para los amputados de miembros inferiores, sino que también proporcionaron información sobre los mecanismos fundamentales de la integración supraespinal de las modalidades sensoriales restauradas. Incluso con solo una restauración limitada de las sensaciones del pie y la rodilla, el SNC pudo integrar y explotar con éxito esta información. Se observaron hallazgos análogos en animales que compensaron la falta de una única modalidad sensorial a través de estructuras supraespinales (22).

Hacia un uso generalizado

Los beneficios para la salud que se obtienen con la neuromodulación son de suma importancia para millones de personas con discapacidad. Debido a que el costo económico de tales tecnologías sigue siendo considerable, es importante enfatizar los beneficios que las acompañan, que podrían eliminar la necesidad de tratamientos relacionados con el dolor o los problemas cardiovasculares (1).

Junto con los resultados pioneros en el tratamiento neuromodulador de la neuropatía, la investigación descrita presenta un marco conceptualmente nuevo para el diseño, la implementación y las pruebas de dispositivos neuroprotésicos. Este marco iterativo consiste en (i) desarrollar una comprensión profunda del problema a través de modelos y experimentos, (ii) influir en el diseño del dispositivo y (iii) una fase de prueba clínica meticulosamente planificada. La validación multifacética de experimentos, incluidos los resultados funcionales, emocionales y cognitivos, se retroalimenta para aumentar nuestro conocimiento y optimizar aún más el diseño. La comprensión profunda basada en modelos de los efectos de la neuromodulación podría beneficiar a proyectos futuros en el campo emergente de la medicina bioelectrónica (23, 24).

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FOTO: CORTESÍA DE STANISA RASPOPOVIC

GANADOR DEL GRAN PREMIO

Stanisa Raspopovic

Stanisa Raspopovic recibió una licenciatura de la Universidad de Pisa y un doctorado de la Scuola Superiore Sant’Anna, Italia. Después de completar su beca postdoctoral en EPFL, comenzó su laboratorio en el Departamento de Ciencia y Tecnología de la Salud en ETH Zürich en 2018. Su investigación se centra en la comprensión profunda de la interacción del sistema nervioso con el campo eléctrico a través de modelos computacionales, diseño de neuroprótesis sensoriales y bioelectrónica. soluciones y la investigación de la interacción humana con estos.

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FOTO: CORTESÍA DE WEIJIAN YANG

FINALISTA

Weijian Yang

Weijian Yang recibió su licenciatura de la Universidad de Pekín y un doctorado de la Universidad de California, Berkeley. Después de completar su beca postdoctoral en la Universidad de Columbia, comenzó su laboratorio en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de California, Davis en 2017. Su investigación tiene como objetivo desarrollar métodos ópticos avanzados y neurotecnologías para interrogar y modular la actividad cerebral, con un El objetivo es comprender cómo se organizan y funcionan los circuitos neuronales y cómo surgen los comportamientos de la actividad neuronal. www.sciencemag.org/content/373/6555/635