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Implante cerebral

Una rata de laboratorio con un implante cerebral

Los implantes cerebrales , a menudo denominados implantes neuronales , son dispositivos tecnológicos que se conectan directamente al cerebro de un sujeto biológico , generalmente colocados en la superficie del cerebro o adheridos a la corteza cerebral . Un propósito común de los implantes cerebrales modernos y el foco de gran parte de la investigación actual es establecer una prótesis biomédica que evite áreas del cerebro que se han vuelto disfuncionales después de un derrame cerebral u otras lesiones en la cabeza . [1] Esto incluye la sustitución sensorial , por ejemplo, en la visión . Otros implantes cerebrales se utilizan en experimentos con animales simplemente para registrar la actividad cerebral por razones científicas. Algunos implantes cerebrales implican la creación de interfaces entre sistemas neuronales y chips de computadora . Este trabajo es parte de un campo de investigación más amplio llamado interfaces cerebro-computadora . (La investigación de la interfaz cerebro-computadora también incluye tecnología como las matrices de EEG que permiten la interfaz entre la mente y la máquina, pero no requieren la implantación directa de un dispositivo).

Los implantes neuronales, como la estimulación cerebral profunda y la estimulación del nervio vago, se están volviendo cada vez más rutinarios para los pacientes con enfermedad de Parkinson y depresión clínica , respectivamente.

Objetivo

Los implantes cerebrales estimulan, bloquean [2] o registran [3] eléctricamente (o registran y estimulan simultáneamente [4] ) señales de neuronas individuales o grupos de neuronas ( redes neuronales biológicas ) en el cerebro. Esto sólo se puede hacer cuando las asociaciones funcionales de estas neuronas son aproximadamente conocidas. Debido a la complejidad del procesamiento neuronal y la falta de acceso a las señales relacionadas con el potencial de acción mediante técnicas de neuroimagen , la aplicación de implantes cerebrales se ha visto seriamente limitada hasta los recientes avances en neurofisiología y potencia de procesamiento informático. También se están realizando muchas investigaciones sobre la química de superficie de los implantes neuronales en un esfuerzo por diseñar productos que minimicen todos los efectos negativos que un implante activo puede tener en el cerebro y que el cuerpo puede tener en la función del implante. Los investigadores también están explorando una gama de sistemas de administración, como el uso de venas, para administrar estos implantes sin cirugía cerebral; al dejar el cráneo sellado, los pacientes podrían recibir sus implantes neuronales sin correr un riesgo tan grande de convulsiones, accidentes cerebrovasculares o deterioro neuronal permanente, todos los cuales pueden ser causados ​​por la cirugía cerebral abierta. [5]

Investigación y aplicaciones

La investigación en materia de sustitución sensorial ha avanzado significativamente desde 1970. Especialmente en el campo de la visión, debido al conocimiento del funcionamiento del sistema visual , se han aplicado implantes oculares (que a menudo implican algún implante cerebral o monitorización) con un éxito demostrado. En el campo de la audición , se utilizan implantes cocleares para estimular directamente el nervio auditivo. El nervio vestibulococlear forma parte del sistema nervioso periférico , pero la interfaz es similar a la de los verdaderos implantes cerebrales.

Varios proyectos han demostrado que es posible obtener registros de los cerebros de animales durante largos períodos de tiempo. Ya en 1976, investigadores del NIH dirigidos por Edward Schmidt realizaron registros de potenciales de acción de señales de las cortezas motoras de monos rhesus utilizando electrodos inamovibles en forma de "alfiler de sombrero", [6] incluidos registros de neuronas individuales durante más de 30 días y registros constantes durante más de tres años a partir de los mejores electrodos.

Los electrodos en forma de "alfiler de sombrero" estaban hechos de iridio puro y aislados con parileno , materiales que se utilizan actualmente en la implementación cibercinética de la matriz Utah. [7] Estos mismos electrodos, o derivaciones de los mismos que utilizan los mismos materiales de electrodos biocompatibles, se utilizan actualmente en laboratorios de prótesis visuales, [8] laboratorios que estudian la base neural del aprendizaje, [9] y enfoques de prótesis motoras distintos de las sondas cibercinéticas. [10]

Esquema del conjunto de electrodos "Utah"

Otros grupos de laboratorio producen sus propios implantes para proporcionar capacidades únicas que no están disponibles en los productos comerciales. [11] [12] [13] [14]

Los avances incluyen: estudios del proceso de recableado funcional del cerebro a lo largo del aprendizaje de una discriminación sensorial, [15] control de dispositivos físicos por cerebros de ratas, [16] monos sobre brazos robóticos, [17] control remoto de dispositivos mecánicos por monos y humanos, [18] control remoto sobre los movimientos de cucarachas , [19] el primer uso informado del Utah Array en un humano para señalización bidireccional. [20] Actualmente, varios grupos están realizando implantes protésicos motores preliminares en humanos. Estos estudios están limitados actualmente a varios meses por la longevidad de los implantes. El array ahora forma el componente sensor del Braingate .

También se están realizando muchas investigaciones sobre la química de la superficie de los implantes neuronales en un esfuerzo por diseñar productos que minimicen todos los efectos negativos que un implante activo puede tener sobre el cerebro y que el cuerpo puede tener sobre la función del implante.

Otro tipo de implante neuronal que se está experimentando son chips de silicio con memoria neuronal protésica , que imitan el procesamiento de señales realizado por neuronas en funcionamiento que permiten al cerebro de las personas crear recuerdos a largo plazo.

En el caso de los implantes, incluidos potencialmente los implantes cerebrales, los dispositivos totalmente orgánicos podrían ser ventajosos porque podrían ser biocompatibles . [21] Si los dispositivos neuromórficos orgánicos llegan a ese punto, "los implantes podrían permitir a los humanos controlar exoesqueletos motorizados", por ejemplo. [21] Las neuronas modificadas genéticamente pueden permitir conectar componentes externos , como miembros protésicos, a los nervios. [22] También hay investigaciones sobre neuronas artificiales físicas potencialmente implantables [23] .

Se están realizando investigaciones sobre posibles implantes para la administración de fármacos al cerebro . [24] [25]

En 2016, científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign anunciaron el desarrollo de pequeños sensores cerebrales para su uso en el monitoreo posoperatorio, que se derriten cuando ya no son necesarios. [26]

En 2020, científicos de la Universidad de Melbourne , que formaron la empresa Synchron en 2016, publicaron datos clínicos relacionados con un descubrimiento de Stentrode , un dispositivo implantado a través de la vena yugular , sin necesidad de cirugía cerebral abierta. Se demostró que la tecnología permite a dos pacientes controlar una computadora usando solo el pensamiento. En última instancia, puede ayudar a diagnosticar y tratar una variedad de patologías cerebrales, como la epilepsia y la enfermedad de Parkinson . [27] En 2023, los investigadores no informaron eventos adversos graves durante el primer año en los cuatro pacientes que usaron el dispositivo para operar una computadora. [28] [29]

Militar

La DARPA ha anunciado su interés en desarrollar "insectos cíborg" que transmitan datos desde sensores implantados en el insecto durante la etapa de pupa . El movimiento del insecto se controlaría desde un sistema microelectromecánico (MEMS) y podría, concebiblemente, inspeccionar un entorno o detectar explosivos y gases. [30] De manera similar, la DARPA está desarrollando un implante neuronal para controlar de forma remota el movimiento de los tiburones . Los sentidos únicos del tiburón se aprovecharían entonces para proporcionar información sobre el movimiento de un barco enemigo o explosivos submarinos. [31]

En 2006, investigadores de la Universidad de Cornell inventaron [32] un nuevo procedimiento quirúrgico para implantar estructuras artificiales en insectos durante su desarrollo metamórfico. [33] [34] Los primeros insectos cíborg, polillas con electrónica integrada en su tórax , fueron demostrados por los mismos investigadores. [35] [36] El éxito inicial de las técnicas ha dado lugar a un aumento de la investigación y a la creación de un programa denominado Hybrid-Insect-MEMS, HI-MEMS. Su objetivo, según la Oficina de Tecnología de Microsistemas de la DARPA , es desarrollar "interfaces máquina-insecto estrechamente acopladas mediante la colocación de sistemas micromecánicos en el interior de los insectos durante las primeras etapas de la metamorfosis". [37]

Recientemente se ha intentado con éxito el uso de implantes neuronales en cucarachas. Se colocaron electrodos quirúrgicos en el insecto, que fueron controlados a distancia por un humano. Los resultados, aunque a veces diferentes, demostraron básicamente que la cucaracha podía ser controlada por los impulsos que recibía a través de los electrodos. La DARPA está financiando ahora esta investigación debido a sus obvias aplicaciones beneficiosas para el ámbito militar y otros ámbitos [38].

En 2009, en la conferencia sobre sistemas mecánicos microelectrónicos (MEMS) del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) en Italia , los investigadores demostraron el primer cíborg-escarabajo volador "inalámbrico". [39] Los ingenieros de la Universidad de California en Berkeley fueron pioneros en el diseño de un " escarabajo controlado a distancia ", financiado por el Programa HI-MEMS de DARPA. [40] Esto fue seguido más tarde ese año por la demostración del control inalámbrico de una polilla-cíborg "asistida por elevación". [41]

Los investigadores planean desarrollar HI-MEMS para libélulas, abejas, ratas y palomas. [42] [43] Para que el insecto cibernético HI-MEMS se considere un éxito, debe volar 100 metros (330 pies) desde un punto de partida, guiado por computadora hasta un aterrizaje controlado a 5 metros (16 pies) de un punto final específico. Una vez aterrizado, el insecto cibernético debe permanecer en el lugar. [42]

En 2012, DARPA proporcionó financiación inicial [44] al Dr. Thomas Oxley , un neurointervencionista del Hospital Mount Sinai en la ciudad de Nueva York, para una tecnología que se conoció como Stentrode. El grupo de Oxley en Australia fue el único no estadounidense financiado por DARPA como parte del programa Reliable Neural Interface Technology (RE-NET). [45] Esta tecnología es la primera en intentar proporcionar implantes neuronales a través de un procedimiento quirúrgico mínimamente invasivo que no requiere cortar el cráneo. Es decir, una matriz de electrodos construida sobre un stent autoexpandible, implantado en el cerebro mediante angiografía cerebral. Esta vía puede proporcionar un acceso seguro y fácil y capturar una señal fuerte para una serie de indicaciones más allá del tratamiento de la parálisis, y actualmente se encuentra en ensayos clínicos [46] en pacientes con parálisis grave que buscan recuperar la capacidad de comunicarse.

En 2015 se informó que los científicos del Laboratorio de Neurotecnologías de Percepción y Reconocimiento de la Universidad Federal del Sur en Rostov del Don sugirieron utilizar ratas con microchips implantados en sus cerebros para detectar dispositivos explosivos. [47] [48] [49]

En 2016 se informó que ingenieros estadounidenses están desarrollando un sistema que transformaría a las langostas en "detectores de explosivos controlados a distancia" con electrodos en sus cerebros que transmiten información sobre sustancias peligrosas a sus operadores. [50]

Rehabilitación

Los neuroestimuladores se utilizan desde 1997 para aliviar los síntomas de enfermedades como la epilepsia , la enfermedad de Parkinson , la distonía y, recientemente, la depresión . Los rápidos avances en las tecnologías de neuroestimulación están proporcionando alivio a una cantidad sin precedentes de pacientes afectados por trastornos neurológicos y psiquiátricos debilitantes. Las terapias de neuroestimulación incluyen enfoques invasivos y no invasivos que implican la aplicación de estimulación eléctrica para impulsar la función neuronal dentro de un circuito.

La DARPA también está estudiando la posibilidad de implantar implantes cerebrales como parte del programa Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET), lanzado en 2010 para abordar directamente la necesidad de contar con interfaces neuronales de alto rendimiento que permitan controlar las funciones de destreza que hacen posibles las prótesis avanzadas de DARPA. El objetivo es proporcionar una interfaz de control intuitiva y de gran ancho de banda para estas extremidades.

Entre las personas y empresas que están explorando la interfaz cerebro-computadora se incluyen: Elon Musk , Bill Gates , Mark Zuckerberg , Jeff Bezos , Neuralink, CTRL Labs y Synchron.

Los implantes cerebrales actuales están hechos de una variedad de materiales, como tungsteno , silicio , platino - iridio o incluso acero inoxidable . Los implantes cerebrales futuros pueden utilizar materiales más exóticos, como fibras de carbono a escala nanométrica ( nanotubos ) y policarbonato uretano . Casi todos los implantes requieren cirugía cerebral abierta, pero, en 2019, una empresa llamada Synchron pudo implantar con éxito una interfaz cerebro-computadora a través de los vasos sanguíneos.

Se han producido numerosos avances en el tratamiento tecnológico de las lesiones de la médula espinal , incluido el uso de implantes que proporcionan un «puente digital» entre el cerebro y la médula espinal. En un estudio publicado en mayo de 2023 en la revista Nature , investigadores de Suiza describieron este tipo de implantes que permitieron a un hombre de 40 años, paralizado de la cadera hacia abajo durante 12 años, ponerse de pie, caminar y subir una rampa empinada con solo la ayuda de un andador. Más de un año después de la inserción del implante, ha conservado estas capacidades y caminaba con muletas incluso cuando el implante estaba apagado. [51]

Investigación histórica

En 1870, Eduard Hitzig y Gustav Fritsch demostraron que la estimulación eléctrica del cerebro de los perros podía producir movimientos. Robert Bartholow demostró lo mismo en el caso de los humanos en 1874. A principios del siglo XX, Fedor Krause comenzó a mapear sistemáticamente áreas del cerebro humano, utilizando pacientes que se habían sometido a cirugía cerebral .

En la década de 1950 se llevaron a cabo importantes investigaciones. Robert G. Heath experimentó con pacientes mentales, con el objetivo de influir en el estado de ánimo de sus sujetos mediante estimulación eléctrica. [52]

El fisiólogo de la Universidad de Yale, José Delgado , demostró un control limitado de la conducta de sujetos animales y humanos mediante estimulación electrónica. Inventó el stimoceiver o estimulador transdérmico , un dispositivo implantado en el cerebro para transmitir impulsos eléctricos que modifican conductas básicas como la agresión o las sensaciones de placer.

Delgado escribiría más tarde un libro popular sobre el control mental, llamado Control físico de la mente , donde afirmaba: "se ha demostrado la viabilidad del control remoto de actividades en varias especies de animales [...] El objetivo final de esta investigación es proporcionar una comprensión de los mecanismos implicados en el control direccional de los animales y proporcionar sistemas prácticos adecuados para la aplicación humana".

En la década de 1950, la CIA también financió la investigación sobre técnicas de control mental , a través de programas como MKULTRA . Tal vez porque recibió financiación para algunas investigaciones a través de la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU ., se ha sugerido (pero no se ha demostrado) que Delgado también recibió respaldo a través de la CIA. Él negó esta afirmación en un artículo de 2005 en Scientific American, describiéndola solo como una especulación de los teóricos de la conspiración. Afirmó que su investigación solo estaba motivada científicamente de manera progresiva para comprender cómo funciona el cerebro.

La investigación actual se centra en permitir que los pacientes paralizados muevan dispositivos externos a través del pensamiento, así como en facilitar la capacidad de convertir el pensamiento en texto en esta población.

En 2012, un estudio histórico en Nature, dirigido por el pionero Leigh Hochberg , MD, PhD, demostró que dos personas con tetraplejia pudieron controlar brazos robóticos a través del pensamiento cuando se conectaron al sistema de interfaz neuronal BrainGate. [53] Los dos participantes pudieron alcanzar y agarrar objetos en el espacio tridimensional, y una participante usó el sistema para servirse café por primera vez desde que quedó paralizada casi 15 años antes.

En octubre de 2020, dos pacientes pudieron controlar de forma inalámbrica un Surface Book 2 con Windows 10 para enviar mensajes de texto, correos electrónicos, comprar y realizar operaciones bancarias mediante el pensamiento directo a través de la interfaz cerebro-computadora de Stentrode. [54] Esta fue la primera vez que se implantó una interfaz cerebro-computadora a través de los vasos sanguíneos del paciente, eliminando la necesidad de una cirugía a cerebro abierto.

Preocupaciones y consideraciones éticas

Entre las cuestiones éticas que se plantean se encuentran quiénes son buenos candidatos para recibir implantes neuronales y cuáles son los usos buenos y malos de los implantes neuronales. Si bien la estimulación cerebral profunda se está convirtiendo cada vez más en una práctica habitual para los pacientes con enfermedad de Parkinson, puede haber algunos efectos secundarios conductuales. Los informes en la literatura describen la posibilidad de apatía, alucinaciones, ludopatía, hipersexualidad, disfunción cognitiva y depresión. Sin embargo, estos pueden ser temporales y estar relacionados con la colocación y calibración correctas del estimulador, por lo que son potencialmente reversibles. [55]

Algunos transhumanistas , como Ray Kurzweil y Kevin Warwick , consideran que los implantes cerebrales forman parte del siguiente paso en el progreso y la evolución de los seres humanos , mientras que otros, especialmente los bioconservadores , los consideran antinaturales y que la humanidad pierde cualidades humanas esenciales . Esto genera una controversia similar a la de otras formas de mejora humana . Por ejemplo, se argumenta que los implantes técnicamente convertirían a las personas en organismos cibernéticos ( cyborgs ). También se espera que toda la investigación cumpla con la Declaración de Helsinki . Además, se aplican los deberes legales habituales, como la información a la persona que lleva los implantes y que estos son voluntarios, con (muy) pocas excepciones.

Otras preocupaciones tienen que ver con las vulnerabilidades de los implantes neuronales a los delitos cibernéticos o la vigilancia intrusiva, ya que podrían ser pirateados, mal utilizados o mal diseñados. [56]

Sadja afirma que “es importante proteger los pensamientos privados” y no considera buena idea encargar al gobierno o a cualquier empresa que los proteja. Walter Glannon, neuroeticista de la Universidad de Calgary, señala que “existe el riesgo de que los microchips sean pirateados por terceros” y que “esto podría interferir en la intención del usuario de realizar acciones, violar la privacidad al extraer información del chip”. [57]

En la ficción y la filosofía

Los implantes cerebrales son ahora parte de la cultura moderna, pero existen referencias filosóficas relevantes que se remontan a René Descartes .

En sus Meditaciones de 1641 , Descartes sostuvo que sería imposible determinar si todas las experiencias aparentemente reales de una persona eran en realidad producidas por un demonio maligno que intentaba engañarla. Una versión moderna del argumento de Descartes la proporciona el experimento mental del " cerebro en un recipiente ", que imagina un cerebro separado de su cuerpo en un recipiente con nutrientes y conectado a una computadora que es capaz de estimularlo de tal manera que produce la ilusión de que todo es normal. [58]

La ciencia ficción popular que habla de implantes cerebrales y control mental se generalizó en el siglo XX, a menudo con una perspectiva distópica. La literatura de la década de 1970 ahondó en el tema, incluido The Terminal Man de Michael Crichton , donde un hombre con daño cerebral recibe un implante cerebral quirúrgico experimental diseñado para prevenir convulsiones, del que abusa al activarlo por placer. Otro ejemplo es la escritura de ciencia ficción de Larry Niven sobre cabezas de alambre en sus historias de " Espacio conocido ".

Una visión algo más positiva de los implantes cerebrales utilizados para comunicarse con una computadora como una forma de inteligencia aumentada se ve en la novela Michaelmas de Algis Budry de 1976 .

El temor a que el gobierno y los militares hagan un mal uso de la tecnología es uno de los primeros temas. En la serie de la BBC de 1981 The Nightmare Man, el piloto de un minisubmarino de alta tecnología está conectado a su nave a través de un implante cerebral, pero se convierte en un asesino salvaje después de arrancarse el implante.

Quizás la novela más influyente que explora el mundo de los implantes cerebrales fue Neuromancer , de William Gibson, de 1984. Esta fue la primera novela de un género que llegó a conocerse como " ciberpunk ". Sigue a un pirata informático a través de un mundo donde los mercenarios son aumentados con implantes cerebrales para mejorar la fuerza, la visión, la memoria, etc. Gibson acuña el término "matrix" e introduce el concepto de "conexión" con electrodos en la cabeza o implantes directos. También explora posibles aplicaciones de entretenimiento de los implantes cerebrales, como el "simstim" (estimulación simulada), que es un dispositivo utilizado para grabar y reproducir experiencias.

El trabajo de Gibson provocó una explosión de referencias a los implantes cerebrales en la cultura popular. Sus influencias se sienten, por ejemplo, en el juego de rol Shadowrun de 1989 , que tomó prestado su término "datajack" para describir una interfaz cerebro-computadora. Los implantes en las novelas y cuentos cortos de Gibson formaron la plantilla para la película de 1995 Johnny Mnemonic y, más tarde, la trilogía Matrix .

Las ficción pulp con implantes o implantes cerebrales incluyen la serie de novelas Typers , la película Spider-Man 2 , la serie de televisión Earth: Final Conflict y numerosos juegos de computadora y video.

Película

Televisión

Juegos de vídeo

El juego plantea la cuestión de las desventajas de este tipo de aumento, ya que aquellos que no pueden permitirse las mejoras (o se oponen a obtenerlas) rápidamente se encuentran en una seria desventaja frente a las personas con mejoras artificiales de sus habilidades. También se explora el espectro de verse obligado a tener mejoras mecánicas o electrónicas solo para conseguir un trabajo. La historia aborda el efecto del rechazo de implantes por el uso de la droga ficticia 'Neuropozyne', que descompone el tejido glial y también es tremendamente adictiva, lo que deja a las personas que tienen aumentos sin otra opción que seguir comprando el medicamento a una sola corporación biotecnológica que controla el precio del mismo. Sin el medicamento, las personas aumentadas experimentan el rechazo de los implantes (junto con la consiguiente pérdida de la funcionalidad del implante), un dolor paralizante y posible muerte.

Véase también

Referencias

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