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El brazo robótico de un hombre funciona más rápido con tacto de alta tecnología

Nathan Copeland
Nathan Copeland in lab with robotic arm. Photo: UPMC/Pitt Health Sciences

LUNES, 24 de mayo de 2021 (HealthDay News) -- La mano robótica se extiende hacia un pequeño cubo, guiada por las señales que provienen de unos electrodos implantados en el cerebro de Nathan Copeland, un paciente parcialmente paralizado.

En un movimiento sorprendentemente suave, la mente de Copeland dirige a la mano robótica para que coja el cubo y lo mueva a otra parte de la mesa.

El proceso funciona tan bien, con una velocidad que se acerca a la de las personas promedio, porque, por primera vez, un paciente que guía un brazo robótico puede sentir el objeto que está agarrando.

Copeland, que tiene 34 años, es el primer humano al que se le han implantado electrodos en la corteza sensorial del cerebro. La mano robótica envía información táctil a su cerebro, que le informe si está agarrando bien cualquier objeto que intente manipular.

"Podía ver a la mano tocando el objeto, pero también tenía esa reafirmación adicional y confianza de que sin duda había hecho contacto y estaba aplicando cierta medida de presión", comentó Copeland, que vive en Dunbar, Pensilvania. "Sabía que si levantaba el objeto de la mesa, no se me caería de la mano".

Provisto de esta información sensorial, Copeland redujo de forma dramática el tiempo que tardaba en usar la mano robótica para recoger y mover objetos en experimentos de laboratorio, señaló Jennifer Collinger, profesora asociada del Departamento de Medicina Física y Rehabilitación de la Universidad de Pittsburgh.

Orientado solo por la vista, Copeland completaba este tipo de tareas en unos 20 segundos, en promedio, dijo Collinger.

"Con la información sensorial, esto se redujo a la mitad, a 10 segundos", aseguró Collinger. "No fue una mejora pequeña. Fue bastante dramática. Muchas veces en realidad pudo hacerlo en menos de 5 segundos, que se considera el tiempo normal para una persona sin discapacidades".

Durante años, los investigadores que trabajan en las interfaces entre cerebro y computadora se han enfocado en implantar electrodos en la corteza motora, la parte del cerebro que guía el movimiento. Probaron que las señales de la corteza motora podían ser interpretadas por una computadora, y usarse para guiar objetos como brazos robóticos o cursores en la pantalla de una computadora.

Ahora, se enfocan en otra parte importante del movimiento: la información que el cerebro recibe de las extremidades que se mueven.

Siempre que una persona agarra una taza de café, su cerebro se ve inundado de datos retroalimentados que le permiten agarrarla de forma adecuada. Sienten cuando han hecho contacto con la taza y así no la tiran, y ajustan su agarre según el peso de la taza.

"Esa parte sensorial de lo que hacemos, como humanos, para hacer que suceda es de verdad importante", señaló David Putrino, director de innovación en rehabilitación de la Escuela de Medicina Icahn de Mount Sinai. "Es difícil realizar una tarea como esta sin tener una retroalimentación sensorial constante sobre dónde está la mano en el espacio, si la mano está agarrando el objeto con demasiada suavidad o dureza".

Hace seis años, los bioingenieros implantaron una serie de electrodos en las cortezas motora y sensorial del cerebro de Copeland. Un accidente de 2004, cuando tenía 18 años, dejó a Copeland con un uso limitado de sus brazos.

Los electrodos conducen a dos clavijas que salen de la parte superior del cráneo de Copeland. Unos cables de computadora van en las clavijas, que cuando no se usan están cubiertas por tapas, y llevan y traen información del brazo robótico de Copeland, que está a su lado.

Los electrodos ubicados en la corteza motora rastrean unos 200 canales de información que salen del cerebro, dijo Collinger.

"Observamos la forma en que las neuronas se activan como población, y lo convertimos en señales de control para el brazo robótico, de forma que el participante pueda alcanzar y agarrar y orientar la mano en el espacio de trabajo para levantar objetos y moverlos", explicó Collinger.

Por otra parte, los electrodos de la corteza sensorial reciben información recopilada por la mano robótica sobre el objeto que se está manipulando.

"Entonces, podemos convertir esa información en patrones de estimulación que se envían a través de los electrodos implantados en el área somatosensorial del cerebro, el área que en general recibe la información táctil de la mano", apuntó Collinger. "Esta es en realidad la primera vez que hemos reunido estos dos componentes para ver cómo la retroalimentación sensorial podría mejorar el control motor en el contexto de una interfaz entre cerebro y computadora".

"Las sensaciones que siento de verdad dependen de cuáles electrodos estimulan", aclaró Copeland. "Pueden variar entre presión u hormigueos, calor, a veces un toque, y entonces usualmente las siento en las almohadillas de la base de mis dedos".

En un gran avance, pero falta un largo camino

No es fácil agarrar algo ayudado solo con la vista, dijo Copeland, que pasó años practicando de esa forma con el brazo robótico antes de que se añadieran sus electrodos sensoriales al proceso.

"Antes, cuando no tenía esta estimulación, podía ver la mano robótica cuando tocaba un objeto, pero a veces la levantaba de la mesa y se caía o la mano la agarraba de forma torpe, y pasaba un tiempo adicional asegurándome de que en realidad había agarrado algo antes de comenzar a moverlo", dijo Copeland.

Los expertos dijeron que esta investigación, que se publicó el 20 de mayo en la revista Science, es un importante avance en la tecnología prostética.

"Hace mucho que se sabe que las prótesis motoras deben tomar en cuenta al mundo exterior para ofrecer un mejor desempeño", apuntó J. Luis Lujan, profesor asociado de cirugía neurológica de la Clínica Mayo. "El trabajo de este equipo de investigación demuestra más la importancia de la retroalimentación táctil y visual en el control del movimiento, ya sea de las propias extremidades del individuo o de dispositivos robóticos".

Pero los expertos dijeron que esta tecnología no estará disponible de forma común en un futuro próximo.

"Hay mucho interés en la industria en esta área, que espero que acelere el proceso, pero sin duda todavía falta mucho trabajo", dijo Collinger.

Por ejemplo, la tecnología debe ser menos invasiva y más fácil de conectar a las máquinas que guía, apuntaron Collinger y Putrino.

"Este es el primer paso en una tecnología que es increíblemente invasiva. Requiere una cirugía de cerebro abierto. Se implantan unos electrodos que tienen una vida útil limitada en el tejido cerebral", comentó Putrino. "Falta un largo camino para que esto se use de forma común en el hogar".

Por su parte, Copeland no anticipaba una gran ganancia personal por su participación.

"Hay una tableta portátil que tengo aquí en casa que ahora puedo usar para hacer cosas básicas, como dibujar o usar juegos, porque puedo controlar un cursor en la pantalla" usando la interfaz, dijo Copeland. "Cuando me uní al estudio, supe que no iba a devolverme la función, y que nunca iba a ser algo para siempre para mí".

"Es literalmente el inicio de la investigación. Espero que el hecho de que yo pase mi tiempo intentando que la ciencia adelante, en algún futuro alguien que sufra una lesión como la mía y algún tipo de afección que limite su función, que esta tecnología pueda ayudarlo en el futuro", añadió.

Más información

La Universidad de Pittsburgh ofrece más información sobre la interfaz entre el cerebro y la computadora.

Artículo por HealthDay, traducido por HolaDoctor.com

FUENTES: Nathan Copeland, Dunbar, Pa.; Jennifer Collinger, PhD, associate professor, University of Pittsburgh, Department of Physical Medicine and Rehabilitation; David Putrino, PhD, director, rehabilitation innovation, Icahn School of Medicine at Mount Sinai, New York City; J. Luis Lujan, PhD, associate professor, neurologic surgery, Mayo Clinic, Rochester, Minn.; Science, May 20, 2021

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