El electrodo neurotrófico es un dispositivo intracortical diseñado para leer las señales eléctricas que utiliza el cerebro para procesar información. Consiste en un pequeño cono de vidrio hueco unido a varios cables de oro conductores de electricidad. El término neurotrófico significa "relacionado con 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 completa de los músculos voluntarios. En los primeros intentos de devolver cierto grado de control a estos pacientes, los investigadores utilizaron señales corticales obtenidas con electroencefalografía (EEG) para mover el cursor del ratón. Sin embargo, el 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, de modo que a medida que la tecnología mejore y se reduzcan los riesgos del procedimiento, la interfaz directa puede incluso brindar 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 implantación 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 robustez aún mayor). [5] Esta longevidad fue invaluable para los estudios porque mientras los monos estaban siendo entrenados en una tarea, las neuronas que inicialmente estaban silenciosas comenzaron a dispararse a medida que se aprendía la tarea, un fenómeno que no habría sido observable si el electrodo no fuera capaz de realizar largas tareas. implantación a término. [1]
El cono de vidrio mide sólo 1 a 2 mm de largo y está lleno de factores tróficos para estimular el crecimiento de axones y dendritas a través de su punta y su cuerpo hueco. Cuando las neuritas llegan al extremo posterior del cono, se vuelven a unir con el neuropilo de ese lado, que fija el cono de vidrio en su lugar. Como resultado, es posible lograr una grabación estable y robusta 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, aproximadamente a 5 o 6 mm de profundidad. [7]
Se pegan tres o cuatro alambres de oro 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 para aliviar la tensión porque están incrustados en la corteza por un extremo y unidos a los amplificadores, que están fijados al interior del cráneo, por el otro. Se conectan dos cables a cada amplificador para proporcionar señalización diferencial . [7]
Uno de los mayores puntos fuertes del electrodo neurotrófico es su capacidad inalámbrica, porque 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 pasan a los bioamplificadores (generalmente implementados mediante amplificadores diferenciales ). Las señales amplificadas se envían a través de un interruptor a un transmisor , donde se convierten a señales de FM y se transmiten con una antena. Los amplificadores y los transmisores se alimentan de una señal de inducción de 1 MHz que es rectificada y filtrada. La antena, los amplificadores, los interruptores analógicos y los transmisores de FM están contenidos en una placa de circuito impreso de montaje en superficie estándar que se encuentra 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 reposa la correspondiente bobina de inducción y una antena que envía la señal de FM al receptor . Estos dispositivos se mantienen temporalmente en su lugar con una pasta soluble en agua. El receptor demodula la señal y la envía a la computadora para clasificar los picos y registrar los datos. [7]
La mayor parte del electrodo neurotrófico se fabrica a mano. Los alambres 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 agrega una curva más en la dirección opuesta donde los cables pasan a través del cráneo. Se quita el revestimiento de teflón de las puntas y las que están más alejadas del cono se sueldan y luego se sellan con acrílico dental a un conector de componente. 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 está tallado en ángulo para proporcionar un estante al que se pueden unir los cables de oro. Luego se colocan los cables 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 utilizando 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 una función de "selección", respectivamente. El movimiento en una dirección determinada fue provocado por 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 post-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 resonancia magnética funcional previa a la cirugía indicó una alta actividad allí durante una tarea de nombrar 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 de una vía biológica intacta. [8]
El electrodo neurotrófico, como se describió anteriormente, es un dispositivo inalámbrico y transmite sus señales por vía transcutánea. Además, ha demostrado una longevidad de más de cuatro años en un paciente humano, porque cada componente es completamente biocompatible . Los datos recientes de una persona encerrada a la que se le implantó un implante durante 13 años muestran claramente que no hay cicatrices y que hay muchos neurafilamentos (axones) mielinizados [12] [9] Por lo tanto, la pregunta sobre la longevidad ha sido respondida para el electrodo neurotrófico. En comparación, los electrodos de tipo alambre (matriz de Utah) pierden señal durante meses y años: la matriz de Utah pierde el 85% de sus señales en 3 años [13] , [10] por lo que no puede considerarse 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. Los datos de los electrodos metálicos, sin embargo, son muy útiles a corto plazo y han producido grandes cantidades de datos muy útiles en el cerebro para la investigación informática en el espacio.
Sin embargo, el electrodo neurotrófico estaba limitado en la cantidad de información que podía proporcionar porque los componentes electrónicos que utilizaba para transmitir su señal requerían tanto espacio en el cuero cabelludo que solo cuatro cabían en un cráneo humano. [2] Esto se está volviendo un problema menor con el tiempo a medida que mejora la tecnología de amplificadores. Además, se ha demostrado que un número pequeño de electrodos sigue siendo útil. Hay alrededor de 20 unidades por electrodo, y resultados recientes demuestran que un electrodo con 23 unidades individuales podría decodificar el habla audible y silenciosa, específicamente teléfonos, palabras y frases [15] . [12]
Alternativamente, la matriz de Utah es actualmente un dispositivo cableado, pero transmite más información. Ha sido implantado en un ser humano durante más de dos años y consta de 100 electrodos conductores con forma de aguja de silicio, por lo que tiene alta resolución y puede grabar desde muchas neuronas individuales. [13] El electrodo neurotrófico tiene alta resolución también 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 potenciales de campo locales (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 encerrados. 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 podrían usarse para controlar un dispositivo.
La electroencefalografía (EEG) implica la colocación de muchos electrodos de superficie en el cuero cabelludo del paciente, en un intento de registrar la actividad sumada de decenas de miles a millones de neuronas. El EEG tiene potencial para su uso a largo plazo como interfaz cerebro-computadora , porque los electrodos pueden mantenerse en el cuero cabelludo indefinidamente. Las resoluciones temporales y espaciales y las relaciones señal/ruido del 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 ECoG afirman que la red "posee características adecuadas para una implantación a largo plazo". [13] Sus datos publicados indican una pérdida de señal en dos años [14] .
El electrodo neurotrófico no está activo 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 de la persona encerrada que espera moverse o hablar nuevamente.
Los riesgos que conlleva la implantación son los que normalmente se asocian con la cirugía cerebral, es decir, la posibilidad de hemorragia, infección, convulsiones, derrames cerebrales y daño cerebral. Hasta que la tecnología avance hasta el punto de que estos riesgos se reduzcan considerablemente, el procedimiento quedará reservado 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 inflamación cerebral que provocó debilidad temporal en el lado contralateral del cuerpo. [dieciséis]
Cuando Johnny Ray fue implantado en 1998, uno de los electrodos neurotróficos comenzó a proporcionar una señal intermitente después de haberse anclado en el neuropil 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 complicaciones por la cirugía, todavía existe la posibilidad de que la electrónica falle. Es fácil cambiar la electrónica. Además, si bien los implantes están alojados en el cráneo y, por lo tanto, están relativamente a salvo de daños físicos, los componentes electrónicos en el exterior del cráneo, debajo del cuero cabelludo, son vulnerables. Dos de los pacientes del Dr. Kennedy sufrieron daños accidentalmente durante los espasmos, pero en ambos casos sólo fue necesario reemplazar los dispositivos externos. [7]
En noviembre de 2010, el Dr. Kennedy está trabajando en la aplicación del electrodo en la síntesis del habla, pero tiene planes de ampliar sus usos a muchas áreas diferentes, una de las cuales es restaurar el movimiento con neuroprótesis . [2]
El habla silenciosa es "el procesamiento del habla en ausencia de una señal acústica inteligible" que se utiliza principalmente como ayuda para la persona encerrada. Se ha descodificado con éxito el habla silenciosa [12] . Un objetivo secundario es utilizar el habla audible o silenciosa como un "teléfono móvil debajo del cuero cabelludo con los electrodos entrando en la corteza motora del habla", es decir, como un artículo de consumo. Según Phil Kennedy,
El lector puede retroceder ante tal idea. Pero déjame explicarte. Piensa en todos los beneficios de tener un teléfono móvil privado accesible continuamente en tu cuerpo. A saber: “Necesito contactar a fulano de tal, necesito hacerle 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 Necesito saber qué están haciendo mis acciones, necesito saber dónde están mis hijos, he caído y necesito comunicarme con EMS, etc. Puedo enviarles mensajes de texto o llamarlos simplemente con un pensamiento, 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 desactivar según se desee. Además, vale la pena recordar que la historia demuestra que las personas no rehuyen los dispositivos que les resultan imperceptibles, es decir, implantados debajo de la piel o el cuero cabelludo. Consideremos cómo los marcapasos cardíacos fueron rechazados por primera vez porque eran voluminosos y debían transportarse fuera del cuerpo. Ahora están totalmente implantados y recetados de forma rutinaria a los pacientes. En mi opinión, esta incómoda evolución también es inevitable.
Entonces mi predicción es que de ayudar a las personas necesitadas, pasamos a ayudar a las personas con un producto de consumo. De manera análoga, si las personas necesitadas son la cola del perro (el perro entero es toda la humanidad), entonces, en lugar de que el perro mueva la cola, ¡la cola moverá al perro!