Un implante cortical es un subconjunto de neuroprótesis que está en conexión directa con la corteza cerebral del cerebro . Al interactuar directamente con diferentes regiones de la corteza, el implante cortical puede proporcionar estimulación a un área inmediata y brindar diferentes beneficios, según su diseño y ubicación. Un implante cortical típico es una matriz de microelectrodos implantable , que es un pequeño dispositivo a través del cual se puede recibir o transmitir una señal neuronal.
El objetivo de un implante cortical y de una neuroprótesis en general es “reemplazar los circuitos neuronales del cerebro que ya no funcionan adecuadamente”. [1]
Los implantes corticales tienen una amplia variedad de usos potenciales, que van desde restaurar la visión a pacientes ciegos o ayudar a pacientes con demencia . Con la complejidad del cerebro, las posibilidades de que estos implantes cerebrales amplíen su utilidad son casi infinitas. Algunos trabajos iniciales en implantes corticales implicaron la estimulación de la corteza visual, utilizando implantes hechos de caucho de silicona. [2] Desde entonces, los implantes se han desarrollado en dispositivos más complejos utilizando nuevos polímeros, como la poliimida . Hay dos formas en que los implantes corticales pueden interactuar con el cerebro, ya sea intracorticalmente (directamente) o epicorticalmente (indirectamente). [3] Los implantes intracorticales tienen electrodos que penetran en el cerebro, mientras que los implantes epicorticales tienen electrodos que estimulan a lo largo de la superficie. Los implantes epicorticales registran principalmente los potenciales de campo a su alrededor y generalmente son más flexibles en comparación con sus contrapartes intracorticales. Dado que los implantes intracorticales penetran más profundamente en el cerebro, requieren un electrodo más rígido. [2] Sin embargo, debido al micromovimiento en el cerebro, es necesaria cierta flexibilidad para evitar lesiones en el tejido cerebral.
Ciertos tipos de implantes corticales pueden restaurar parcialmente la visión estimulando directamente la corteza visual . [4] Los primeros trabajos para restaurar la visión mediante estimulación cortical comenzaron en 1970 con el trabajo de Brindley y Dobelle. Con su experimentación inicial, algunos pacientes pudieron reconocer imágenes pequeñas a distancias bastante cercanas. Su implante inicial se basaba en la superficie de la corteza visual y no proporcionaba imágenes tan claras como podría, con el inconveniente añadido de dañar los tejidos circundantes. Modelos más recientes, como el conjunto de electrodos "Utah", utilizan una estimulación cortical más profunda que hipotéticamente proporcionaría imágenes de mayor resolución con menos energía necesaria, causando así menos daño. Uno de los principales beneficios de este método de visión artificial sobre cualquier otra prótesis visual es que evita muchas neuronas de la vía visual que podrían dañarse, lo que potencialmente restauraría la visión a un mayor número de pacientes ciegos. [4]
Sin embargo, la estimulación directa de la corteza visual conlleva algunos problemas. Como ocurre con todos los implantes, se debe controlar el impacto de su presencia durante períodos prolongados de tiempo. Si es necesario retirar o reposicionar un implante después de unos años, pueden surgir complicaciones. La corteza visual es mucho más compleja y difícil de tratar que otras áreas en las que es posible la visión artificial, como la retina o el nervio óptico . El campo visual es mucho más fácil de procesar en lugares distintos de la corteza visual. Además, cada área de la corteza está especializada para tratar diferentes aspectos de la visión, por lo que la simple estimulación directa no proporcionará imágenes completas a los pacientes. Por último, las operaciones quirúrgicas que tratan con implantes cerebrales son de muy alto riesgo para los pacientes, por lo que es necesario mejorar aún más la investigación. Sin embargo, las prótesis visuales corticales son importantes para las personas que tienen una retina, un nervio óptico o un cuerpo geniculado lateral completamente dañados, ya que son una de las únicas formas en las que podrían recuperar su visión, por lo que será necesario buscar más desarrollos. [4]
Los avances en implantes visuales se centran en estimular áreas específicas de la corteza visual . La región temporal media (MT), crucial para la percepción del movimiento, es un objetivo clave para la estimulación eléctrica para crear un movimiento suave de forma artificial. La implantación precisa de electrodos en la MT plantea un desafío debido a su ubicación, que está rodeada de surcos. La investigación en curso explora la estimulación multiárea entre la MT y la corteza visual primaria (V1), con el objetivo de comprender su impacto en la generación de fosfenos (ilusión visual) y la percepción del movimiento. Este enfoque multiárea, dirigido a diferentes regiones del sistema visual, promete mejorar la claridad y el rendimiento de los implantes visuales, ofreciendo una vía potencial para una restauración de la visión más eficaz. [5]
Si bien ha habido poco desarrollo en el desarrollo de una prótesis auditiva efectiva que interactúe directamente con la corteza auditiva , existen algunos dispositivos, como un implante coclear y un implante auditivo de tronco encefálico , presentados por el Dr. William House y su equipo, que han tenido éxito en restaurar la audición a pacientes sordos. [6] El implante coclear se dirige al nervio coclear o auditivo, y las personas que tienen problemas con este nervio nunca pueden beneficiarse de él. Como alternativa, se puede utilizar la prótesis auditiva de tronco encefálico. [7]
También se han realizado algunos estudios en los que se han utilizado conjuntos de microelectrodos para tomar lecturas de la corteza auditiva de animales. Se ha realizado un estudio en ratas para desarrollar un implante que permitiera realizar lecturas simultáneas tanto de la corteza auditiva como del tálamo . Las lecturas de este nuevo conjunto de microelectrodos eran similares en claridad a otros dispositivos disponibles que no proporcionaban las mismas lecturas simultáneas. [8] Con estudios como este, se pueden lograr avances que podrían conducir a nuevas prótesis auditivas.
Para hacer frente a los retos que afrontan las prótesis auditivas convencionales, todavía se están investigando muchas prótesis auditivas no convencionales, como los implantes de conducción ósea y los implantes de oído medio . La prótesis de conducción ósea estimula la cóclea provocando vibraciones en el cráneo. La prótesis de oído medio, ya sea implantada parcial o totalmente, desencadena la vibración directa de la cadena de huesecillos (huesecillos u huesos del oído). A pesar de las complicaciones que pueden causar estas prótesis, su finalidad es mejorar la transmisión de las vibraciones sonoras al oído interno y, en consecuencia, mejorar la capacidad auditiva. [9]
Se han diseñado algunos implantes corticales para mejorar la función cognitiva. Estos implantes se colocan en la corteza prefrontal o en el hipocampo . Los implantes en la corteza prefrontal ayudan a restablecer la atención, la toma de decisiones y la selección de movimientos al duplicar la organización minicolumnar de las descargas neuronales. [10] Una prótesis hipocampal tiene como objetivo ayudar a restaurar la capacidad total de memoria a largo plazo de un paciente . Los investigadores están tratando de determinar la base neuronal de la memoria al descubrir cómo el cerebro codifica diferentes recuerdos en el hipocampo.
Al imitar la codificación natural del cerebro con estimulación eléctrica, los investigadores buscan reemplazar las regiones hipocampales dañadas y restaurar la función. [11] El tratamiento de varias afecciones que afectan la cognición, como el accidente cerebrovascular , la enfermedad de Alzheimer y el traumatismo craneal, puede beneficiarse del desarrollo de una prótesis hipocampal. La epilepsia también se ha relacionado con la disfunción en la región CA3 del hipocampo. [12]
Una interfaz cerebro-computadora (BCI) es un tipo de implante que permite una conexión directa entre el cerebro de un paciente y algún tipo de hardware externo. Desde mediados de la década de 1990, la cantidad de investigación realizada sobre BCI tanto en modelos animales como humanos ha crecido exponencialmente. La mayoría de las interfaces cerebro-computadora se utilizan para algún tipo de extracción de señales neuronales, mientras que algunas intentan devolver la sensación a través de una señal implantada. [3] Como ejemplo de extracción de señales, una BCI puede tomar una señal del cerebro de un paciente parapléjico y usarla para mover una prótesis robótica . Los pacientes paralizados obtienen una gran cantidad de utilidad de estos dispositivos porque permiten devolver el control al paciente. La investigación actual sobre interfaces cerebro-computadora se centra en determinar qué regiones del cerebro pueden ser manipuladas por un individuo. La mayoría de la investigación se centra en la región sensoriomotora del cerebro, utilizando acciones motoras imaginarias para impulsar los dispositivos, mientras que algunos estudios han buscado determinar si la red de control cognitivo sería una ubicación adecuada para las implantaciones. Esta región es una "red neuronal que coordina los procesos mentales al servicio de intenciones o tareas explícitas", que impulsa el dispositivo por intención, en lugar de por movimiento imaginario [13]. Un ejemplo de retorno de la sensación a través de una señal implantada sería el desarrollo de una respuesta táctil para una prótesis. Los amputados no tienen respuesta táctil en las prótesis, pero a través de un implante en su corteza somatosensorial podría potencialmente obtenerse un sentido artificial del tacto.
Un ejemplo actual de una interfaz cerebro-ordenador sería el BrainGate , un dispositivo desarrollado por Cyberkinetics . Esta BCI se encuentra actualmente en una segunda ronda de ensayos clínicos desde mayo de 2009. En un ensayo anterior, un paciente con una lesión grave de la médula espinal , sin control sobre ninguna de sus extremidades, logró manejar un ratón de ordenador sólo con sus pensamientos. Se han realizado desarrollos posteriores que permiten una interfaz más compleja, como el control de un brazo robótico.
Las aplicaciones de las BCI han ido surgiendo a lo largo de los años, en particular para abordar los desafíos que plantean las enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la enfermedad de Parkinson (EP), la enfermedad de Alzheimer (EA) y la atrofia muscular espinal (AME). [14]
En la enfermedad de Alzheimer, un trastorno neurodegenerativo progresivo y fatal, las BCI enfrentan desafíos debido al deterioro cognitivo. Algunos estudios innovadores utilizaron una técnica llamada "condicionamiento clásico con imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI) y BCI". La idea principal era formar una conexión entre ciertas actividades mentales o pensamientos intencionales y respuestas o estímulos emocionales. A pesar de las limitaciones, este nuevo enfoque parece tener potencial para la neurorrehabilitación de la enfermedad de Alzheimer. [14]
Las BCI también desempeñan un papel en la mejora de la función motora al traducir la activación neuronal en comandos motores en la EP, que se caracteriza por deficiencias motoras. La investigación que utiliza potenciales de campo locales de electrodos de estimulación cerebral profunda (ECP) ha demostrado mejoras en las funciones motoras. Se ha explorado la retroalimentación neurológica a través de BCI, basada en electroencefalografía (EEG) o fMRI, para regular la actividad cerebral. Las BCI con retroalimentación EEG tienen como objetivo principal detectar específicamente movimientos intencionales, con el objetivo de reducir los temblores neurológicos cuando se combinan con tecnologías como la estimulación eléctrica funcional (EEF). [14]
Además, las BCI ofrecen mejoras potenciales en el control muscular en pacientes con AME, aquellos que sufren neurodegeneración en el asta anterior de la médula espinal, lo que resulta en una debilidad muscular progresiva. Algunos estudios con pacientes con AME han explorado la integración de BCI en sistemas de control para habilitar dispositivos remotos como televisores y teléfonos. Otros estudios se han centrado en permitir que las personas con AME manipulen un brazo robótico utilizando electromiografía de superficie (sEMG). [14]
Quizás una de las mayores ventajas que tienen los implantes corticales sobre otras neuroprótesis es que se conectan directamente con la corteza. Al evitar los tejidos dañados en la vía visual, se puede tratar a una mayor variedad de pacientes. Estos implantes también pueden actuar como reemplazo de los tejidos dañados en la corteza. La idea de la biomimética permite que el implante actúe como una vía alternativa para las señales.
La colocación de cualquier tipo de implante conectado directamente a la corteza presenta algunos problemas. Un problema importante con los implantes corticales es la biocompatibilidad , o cómo responderá el cuerpo a un objeto extraño. Si el cuerpo rechaza el implante, este será más un detrimento para el paciente que un beneficio. Además de la biocompatibilidad, una vez que el implante está en su lugar, el cuerpo puede tener una reacción adversa a él durante un período prolongado de tiempo, lo que hace que el implante sea inútil. [15] La implantación de una matriz de microelectrodos puede causar daños al tejido circundante. El desarrollo de tejido cicatricial alrededor de los electrodos puede impedir que algunas señales lleguen a las neuronas a las que está destinado el implante. La mayoría de las matrices de microelectrodos requieren que los cuerpos celulares neuronales estén a 50 μm de los electrodos para proporcionar la mejor función, y los estudios han demostrado que los animales implantados crónicamente tienen una densidad celular significativamente reducida dentro de este rango. [15] Se ha demostrado que los implantes también causan neurodegeneración en el sitio de implantación.
La codificación neuronal representa una dificultad a la que se enfrentan los implantes corticales, y en particular los implantes relacionados con la cognición. Los investigadores han encontrado dificultades para determinar cómo el cerebro codifica los distintos recuerdos. Por ejemplo, la forma en que el cerebro codifica el recuerdo de una silla es muy diferente de la forma en que codifica el recuerdo de una lámpara. Con una comprensión completa del código neuronal , se puede avanzar más en el desarrollo de una prótesis hipocampal que pueda mejorar la memoria de manera más eficaz.
Debido a la singularidad de la corteza de cada paciente, es difícil estandarizar los procedimientos que implican la implantación directa. [4] Hay muchas características físicas comunes entre los cerebros, pero un giro o surco individual (neuroanatomía) puede ser diferente cuando se compara. Esto genera dificultades porque hace que cada procedimiento sea único, por lo que lleva más tiempo realizarlo. Además, la naturaleza del efecto deseado de una matriz de microelectrodos es limitada debido a las variaciones indicadas presentadas en asociación con la singularidad de la corteza individual, es decir, las diferencias. Las matrices de microelectrodos actuales también están limitadas debido a su tamaño físico y las tasas de procesamiento/capacidad de datos alcanzables; que continúan regidas en relación con las características dictadas de acuerdo con la Ley de Moore .
A medida que se realicen más investigaciones, se realizarán más desarrollos que aumentarán la viabilidad y la usabilidad de los implantes corticales. Reducir el tamaño de los implantes ayudaría a mantener los procedimientos menos complicados y reducir el volumen. La longevidad de estos dispositivos también se está considerando a medida que se realizan los desarrollos. El objetivo con el desarrollo de nuevos implantes es "evitar la degradación hidrolítica, oxidativa y enzimática debido al duro entorno del cuerpo humano o al menos ralentizarla al mínimo que permita que la interfaz funcione durante un largo período de tiempo, antes de que finalmente tenga que ser intercambiada". [2] Con vidas útiles operativas extendidas, se necesitarían realizar menos operaciones de mantenimiento, lo que permitiría La cantidad de polímeros que ahora se pueden usar para implantes neuronales ha aumentado, lo que permite una mayor diversidad de dispositivos. A medida que la tecnología mejora, los investigadores pueden colocar electrodos más densamente en matrices, lo que permite una alta selectividad. [2] Otras áreas de investigación son los paquetes de baterías que alimentan estos dispositivos. Se ha hecho un esfuerzo para intentar reducir el tamaño y el volumen total de estos paquetes para que resulten menos molestos para el paciente. También es interesante reducir la cantidad de energía que requiere cada implante, ya que esto reducirá la cantidad de calor que genera el implante, lo que reducirá el riesgo de dañar los tejidos circundantes.