El electrodo neurotrófico es un dispositivo intracortical diseñado para leer las señales eléctricas que el cerebro utiliza para procesar la información. Consiste en un pequeño cono de vidrio hueco unido a varios cables de oro conductores de electricidad. El término neurotrófico significa "relativo a la nutrición y el mantenimiento del tejido nervioso" y el dispositivo recibe su nombre del hecho de que está recubierto con Matrigel y factor de crecimiento nervioso para estimular la expansión de las neuritas a través de su punta. [1] Fue inventado por el neurólogo Dr. Philip Kennedy y fue implantado con éxito por primera vez en un paciente humano en 1996 por el neurocirujano Roy Bakay. [2]
Las víctimas del síndrome de enclaustramiento están cognitivamente intactas y son conscientes de su entorno, pero no pueden moverse ni comunicarse debido a una parálisis casi total de los músculos voluntarios. En los primeros intentos por devolver cierto grado de control a estos pacientes, los investigadores utilizaron señales corticales obtenidas con electroencefalografía (EEG) para controlar el cursor de un ratón. Sin embargo, la EEG carece de la velocidad y precisión que se pueden obtener utilizando una interfaz cortical directa. [3]
Los pacientes con otras enfermedades motoras, como la esclerosis lateral amiotrófica y la parálisis cerebral , así como aquellos que han sufrido un accidente cerebrovascular grave o una lesión de la médula espinal, también pueden beneficiarse de los electrodos implantados. Las señales corticales se pueden utilizar para controlar las extremidades robóticas, por lo que, a medida que la tecnología mejore y se reduzcan los riesgos del procedimiento, la interconexión directa puede incluso proporcionar asistencia a los amputados. [4]
Cuando el Dr. Kennedy estaba diseñando el electrodo, sabía que necesitaba un dispositivo que fuera inalámbrico, biológicamente compatible y capaz de implantarse de forma crónica. Los estudios iniciales con monos Rhesus y ratas demostraron que el electrodo neurotrófico era capaz de implantarse de forma crónica durante hasta 14 meses (los ensayos en humanos demostrarían más tarde una solidez aún mayor). [5] Esta longevidad fue inestimable para los estudios porque mientras se entrenaba a los monos en una tarea, las neuronas que inicialmente estaban en silencio comenzaban a activarse a medida que se aprendía la tarea, un fenómeno que no habría sido observable si el electrodo no hubiera sido capaz de implantarse a largo plazo. [1]
El cono de vidrio mide solo 1-2 mm de largo y está lleno de factores tróficos para estimular el crecimiento de axones y dendritas a través de su punta y cuerpo hueco. Cuando las neuritas llegan al extremo posterior del cono, se unen nuevamente con el neuropilo de ese lado, que ancla el cono de vidrio en su lugar. Como resultado, se puede lograr un registro estable y robusto a largo plazo. [6] El cono se asienta con su punta cerca de la capa cinco de la corteza, entre los cuerpos celulares del tracto corticoespinal , y se inserta en un ángulo de 45° desde la superficie, a unos 5 o 6 mm de profundidad. [7]
Tres o cuatro cables de oro están pegados al interior del cono de vidrio y sobresalen por la parte posterior. Registran la actividad eléctrica de los axones que han crecido a través del cono y están aislados con teflón . Los cables están enrollados de manera que alivien la tensión, ya que están incrustados en la corteza en un extremo y unidos a los amplificadores, que están fijados al interior del cráneo, en el otro. Se conectan dos cables a cada amplificador para proporcionar señalización diferencial . [7]
Una de las mayores ventajas del electrodo neurotrófico es su capacidad inalámbrica, ya que sin cableado transdérmico, el riesgo de infección se reduce significativamente. A medida que los electrodos recogen las señales neuronales, viajan por los cables de oro y a través del cráneo, donde se transmiten a los bioamplificadores (normalmente implementados por amplificadores diferenciales ). Las señales amplificadas se envían a través de un interruptor a un transmisor , donde se convierten en señales FM y se transmiten con una antena. Los amplificadores y los transmisores están alimentados por una señal de inducción de 1 MHz que se rectifica y se filtra. La antena, los amplificadores, los interruptores analógicos y los transmisores FM están todos contenidos en una placa de circuito impreso de montaje superficial estándar que se coloca justo debajo del cuero cabelludo. Todo el conjunto está recubierto de geles protectores, Parylene , Elvax y Silastic , para hacerlo biocompatible y proteger la electrónica de los fluidos. [7]
En la parte exterior del cuero cabelludo del paciente se apoya la bobina de inducción correspondiente y una antena que envía la señal FM al receptor . Estos dispositivos se mantienen en su lugar temporalmente con una pasta soluble en agua. El receptor demodula la señal y la envía al ordenador para la clasificación de picos y el registro de datos. [7]
La mayor parte del electrodo neurotrófico se fabrica a mano. Los cables de oro se cortan a la longitud correcta, se enrollan y luego se doblan en un ángulo de 45° justo por encima del punto de contacto con el cono para limitar la profundidad de implantación. Se añade una curva más en la dirección opuesta donde los cables pasan a través del cráneo. Se quitan las puntas de su revestimiento de teflón y las más alejadas del cono se sueldan y luego se sellan con acrílico dental a un conector de componentes. El cono de vidrio se fabrica calentando y tirando de una varilla de vidrio hasta una punta y luego cortando la punta a la longitud deseada. El otro extremo no es un corte recto, sino que se talla en ángulo para proporcionar un estante en el que se pueden colocar los cables de oro. Luego, los cables se colocan en el estante y se aplica un pegamento en gel de metacrilato de metilo en varias capas, teniendo cuidado de no cubrir las puntas conductoras. Por último, el dispositivo se esteriliza con gas glutaraldehído a baja temperatura y se airea. [7]
Uno de los pacientes del Dr. Kennedy, Johnny Ray, pudo aprender a controlar el cursor de una computadora con el electrodo neurotrófico. Tres señales neuronales distintas del dispositivo se correlacionaron con el movimiento del cursor a lo largo del eje x, a lo largo del eje y y con una función de "selección", respectivamente. El movimiento en una dirección determinada se activaba mediante un aumento en la tasa de activación de las neuronas en el canal asociado. [3]
Las señales neuronales obtenidas de otro de los pacientes del Dr. Kennedy se han utilizado para formular sonidos vocálicos utilizando un sintetizador de voz en tiempo real. La configuración electrónica era muy similar a la utilizada para el cursor, con la adición de un decodificador neuronal posterior al receptor y el propio sintetizador. Los investigadores implantaron el electrodo en el área de la corteza motora asociada con el movimiento de los articuladores del habla porque una exploración fMRI previa a la cirugía indicó una alta actividad allí durante una tarea de denominación de imágenes. El retraso promedio desde la activación neuronal hasta la salida del sintetizador fue de 50 ms, que es aproximadamente el mismo que el retraso para una vía biológica intacta. [8]
El electrodo neurotrófico, como se describió anteriormente, es un dispositivo inalámbrico y transmite sus señales de forma transcutánea. Además, ha demostrado una longevidad de más de cuatro años en un paciente humano, porque cada componente es completamente biocompatible . Datos recientes de una persona encerrada implantada durante 13 años muestran claramente que no hay cicatrices y muchos filamentos neuronales mielinizados (axones) [12] [9] Por lo tanto, la pregunta de la longevidad ha sido respondida para el electrodo neurotrófico. En comparación, los electrodos de tipo cable (matriz Utah) pierden señal a lo largo de meses y años: la matriz Utah pierde el 85% de sus señales en 3 años [13] , [10], por lo que no se puede considerar para uso humano a largo plazo. El sistema ECOG pierde señales en menos de 2 años [14] . [11] Muchos tipos de electrodos emergentes, como los que está desarrollando Neuralink, todavía sufren problemas similares. Sin embargo, los datos obtenidos con electrodos metálicos son muy útiles a corto plazo y han producido enormes cantidades de datos muy útiles en el ámbito de la investigación informática sobre el cerebro.
Sin embargo, el electrodo neurotrófico tenía una cantidad limitada de información que podía proporcionar, ya que los componentes electrónicos que utilizaba para transmitir su señal requerían tanto espacio en el cuero cabelludo que solo cabían cuatro en un cráneo humano. [2] Esto se está convirtiendo en un problema menor con el tiempo a medida que la tecnología de los amplificadores mejora. Además, se ha demostrado que un número pequeño de electrodos sigue siendo útil. Hay alrededor de 20 unidades individuales por electrodo, y los resultados recientes demuestran que un electrodo con 23 unidades individuales podría decodificar el habla audible y silenciosa, específicamente teléfonos, palabras y frases [15] . [12]
Por otra parte, el conjunto Utah es actualmente un dispositivo cableado, pero transmite más información. Ha estado implantado en un ser humano durante más de dos años y consta de 100 electrodos conductores de silicio en forma de aguja, por lo que tiene una alta resolución y puede registrar muchas neuronas individuales. [13] El electrodo neurotrófico también tiene una alta resolución, como lo demuestra la importancia de las unidades de disparo lento que generalmente son descartadas por otros grupos [16] . [14]
En un experimento, el Dr. Kennedy adaptó el electrodo neurotrófico para leer los potenciales de campo local (LFP). Demostró que son capaces de controlar dispositivos de tecnología de asistencia, lo que sugiere que se pueden utilizar técnicas menos invasivas para restaurar la funcionalidad de los pacientes con síndrome de cautiverio. Sin embargo, el estudio no abordó el grado de control posible con los LFP ni hizo una comparación formal entre los LFP y la actividad de una sola unidad. [15] Fue el primer estudio que demostró que los LFP se podían utilizar para controlar un dispositivo.
La electroencefalografía (EEG) consiste en la colocación de numerosos electrodos superficiales en el cuero cabelludo del paciente, con el fin de registrar la actividad total de decenas de miles a millones de neuronas. La EEG tiene potencial para usarse a largo plazo como interfaz cerebro-computadora , ya que los electrodos se pueden mantener en el cuero cabelludo indefinidamente. Las resoluciones temporales y espaciales y las relaciones señal-ruido de la EEG siempre han estado por detrás de las de dispositivos intracorticales comparables, pero tiene la ventaja de no requerir cirugía. [13]
La electrocorticografía (ECoG) registra la actividad acumulada de cientos a miles de neuronas con una lámina de electrodos colocada directamente sobre la superficie del cerebro. Además de requerir cirugía y tener baja resolución, el dispositivo ECoG está cableado, lo que significa que el cuero cabelludo no se puede cerrar por completo, lo que aumenta el riesgo de infección. Sin embargo, los investigadores que investigan la ECoG afirman que la rejilla "posee características adecuadas para la implantación a largo plazo". [13] Sus datos publicados indican pérdida de señal en dos años [14] .
El electrodo neurotrófico no se activa inmediatamente después de la implantación porque los axones deben crecer dentro del cono antes de que el dispositivo pueda captar señales eléctricas. Los estudios han demostrado que el crecimiento del tejido se completa en gran medida tan pronto como un mes después del procedimiento, pero tarda hasta cuatro meses en estabilizarse. [1] Un retraso de cuatro meses no es una desventaja si se considera la vida útil de la persona encerrada que espera moverse o hablar nuevamente.
Los riesgos que conlleva la implantación son los que se suelen asociar a la cirugía cerebral, es decir, la posibilidad de hemorragia, infección, convulsiones, apoplejía y daño cerebral. Hasta que la tecnología avance hasta el punto de que estos riesgos se reduzcan considerablemente, el procedimiento se reservará para casos extremos o experimentales. [2] Sólo uno de los seis pacientes de Neural Signals, el propio Dr. Kennedy, tuvo alguna complicación. Experimentó un episodio de corta duración de convulsiones motoras focales e hinchazón cerebral que provocó debilidad temporal en el lado contralateral del cuerpo. [16]
Cuando Johnny Ray recibió el implante en 1998, uno de los electrodos neurotróficos comenzó a proporcionar una señal intermitente después de haberse anclado en el neuropilo, y como resultado, el Dr. Kennedy se vio obligado a depender de los dispositivos restantes. Esto se debió a un problema con la electrónica, NO con el electrodo. [3] Por lo tanto, incluso si no hay ninguna complicación de la cirugía, todavía existe la posibilidad de que la electrónica falle. Es fácil cambiar la electrónica. Además, mientras que los implantes en sí están encapsulados en el cráneo y, por lo tanto, están relativamente a salvo de daños físicos, la electrónica en la parte exterior del cráneo debajo del cuero cabelludo es vulnerable. Dos de los pacientes del Dr. Kennedy se provocaron daños accidentalmente durante espasmos, pero en ambos casos solo fue necesario reemplazar los dispositivos externos. [7]
Desde noviembre de 2010, el Dr. Kennedy está trabajando en la aplicación de síntesis de voz del electrodo, pero tiene planes de ampliar sus usos a muchas áreas diferentes, una de las cuales es la restauración del movimiento con neuroprótesis . [2]
El habla silenciosa es un "procesamiento del habla en ausencia de una señal acústica inteligible" que se utiliza principalmente como ayuda para la persona encerrada. El habla silenciosa se ha descodificado con éxito [12] . Un objetivo secundario es utilizar el habla audible o silenciosa como un "teléfono móvil debajo del cuero cabelludo con los electrodos que entran en la corteza motora del habla", es decir, como un artículo de consumo. Según Phil Kennedy,
El lector puede sentirse avergonzado ante esta idea, pero me explico. Piense en todos los beneficios de tener un teléfono celular privado y accesible en todo momento en su cuerpo. Por ejemplo: “Necesito contactar a tal o cual persona, necesito hacer una pregunta a Siri, necesito acceder a la nube y recibir información, necesito realizar un cálculo usando el acceso a la nube, necesito usar Internet, necesito saber cómo están mis acciones, necesito saber dónde están mis hijos, me he caído y necesito contactar con el servicio médico de urgencias, etc. Puedo enviarles un mensaje de texto o llamarlos con solo pensarlo, sin necesidad de buscar mi teléfono y tocarlo”. El teléfono celular debajo del cuero cabelludo evitará ese paso. Proporcionará comunicación continua a voluntad y se puede apagar cuando se desee. Además, vale la pena recordar que la historia muestra que las personas no rechazan los dispositivos que son imperceptibles para ellas, es decir, implantados debajo de la piel o el cuero cabelludo. Considere cómo los marcapasos cardíacos fueron rechazados al principio porque eran voluminosos y tenían que llevarse fuera del cuerpo. Ahora están totalmente implantados y se prescriben rutinariamente a los pacientes. En mi opinión, esta evolución incómoda también es inevitable.
Así que mi predicción es que, de ayudar a las personas necesitadas, pasaremos a ayudar a las personas con un producto de consumo. Análogamente, si las personas necesitadas son la cola del perro (el perro entero es la humanidad entera), entonces, en lugar de que el perro mueva la cola, ¡la cola moverá al perro!