La neuroprótesis (también llamada prótesis neuronal ) es una disciplina relacionada con la neurociencia y la ingeniería biomédica que se ocupa del desarrollo de prótesis neuronales . A veces se las contrasta con una interfaz cerebro-computadora , que conecta el cerebro a una computadora en lugar de un dispositivo destinado a reemplazar la funcionalidad biológica faltante. [1]
Las prótesis neurales son una serie de dispositivos que pueden sustituir una modalidad motora, sensorial o cognitiva que pudiera haberse dañado como resultado de una lesión o una enfermedad. Los implantes cocleares proporcionan un ejemplo de tales dispositivos. Estos dispositivos sustituyen las funciones realizadas por el tímpano y el estribo mientras simulan el análisis de frecuencia realizado en la cóclea . Un micrófono en una unidad externa recoge el sonido y lo procesa; la señal procesada luego se transfiere a una unidad implantada que estimula el nervio auditivo a través de una matriz de microelectrodos . [2] A través del reemplazo o aumento de los sentidos dañados, estos dispositivos pretenden mejorar la calidad de vida de las personas con discapacidad.
Estos dispositivos implantables también se utilizan habitualmente en la experimentación con animales como herramienta para ayudar a los neurocientíficos a desarrollar una mayor comprensión del cerebro y su funcionamiento. Al monitorear de forma inalámbrica las señales eléctricas del cerebro enviadas por electrodos implantados en el cerebro del sujeto, se puede estudiar al sujeto sin que el dispositivo afecte los resultados. El sondeo y registro preciso de las señales eléctricas en el cerebro ayudaría a comprender mejor la relación entre una población local de neuronas que son responsables de una función específica. [3]
Los implantes neurales están diseñados para ser lo más pequeños posible con el fin de que sean mínimamente invasivos, en particular en las zonas que rodean el cerebro, los ojos o la cóclea. Estos implantes suelen comunicarse con sus homólogos protésicos de forma inalámbrica. Además, actualmente la energía se recibe mediante transmisión inalámbrica a través de la piel. El tejido que rodea el implante suele ser muy sensible al aumento de temperatura, lo que significa que el consumo de energía debe ser mínimo para evitar daños en los tejidos. [4]
La neuroprótesis de uso más extendido en la actualidad es el implante coclear, con más de 736.900 en uso en todo el mundo en 2019. [update][ 5]
El primer implante coclear conocido se creó en 1957. Otros hitos incluyen la primera prótesis motora para el pie caído en la hemiplejia en 1961, el primer implante auditivo del tronco encefálico en 1977 y un puente nervioso periférico implantado en la médula espinal de una rata adulta en 1981. En 1988, el implante de raíz anterior lumbar y la estimulación eléctrica funcional (FES) facilitaron la bipedestación y la marcha, respectivamente, para un grupo de parapléjicos . [6]
En cuanto al desarrollo de electrodos implantados en el cerebro, una dificultad inicial fue la localización fiable de los electrodos, que originalmente se hacía insertando los electrodos con agujas y rompiendo las agujas a la profundidad deseada. [7] Los sistemas recientes utilizan sondas más avanzadas, como las que se utilizan en la estimulación cerebral profunda para aliviar los síntomas de la enfermedad de Parkinson . El problema con ambos enfoques es que el cerebro flota libremente en el cráneo mientras que la sonda no, y los impactos relativamente menores, como un accidente automovilístico a baja velocidad, son potencialmente dañinos. Algunos investigadores, como Kensall Wise de la Universidad de Michigan , han propuesto atar "electrodos para ser montados en la superficie exterior del cerebro" a la superficie interna del cráneo. [8] Sin embargo, incluso si tiene éxito, la fijación no resolvería el problema en los dispositivos destinados a ser insertados profundamente en el cerebro, como en el caso de la estimulación cerebral profunda (DBS).
Una prótesis visual puede crear una sensación de imagen mediante la estimulación eléctrica de las neuronas del sistema visual . Una cámara transmitiría de forma inalámbrica a un implante, que mapearía la imagen a través de una serie de electrodos. La serie de electrodos tiene que estimular eficazmente entre 600 y 1000 puntos, y al estimular estas neuronas ópticas en la retina se creará una imagen. La estimulación también se puede realizar en cualquier lugar a lo largo de la vía de la señal óptica. Se puede estimular el nervio óptico para crear una imagen, o se puede estimular la corteza visual , aunque las pruebas clínicas han demostrado que los implantes de retina son los más exitosos.
Un sistema de prótesis visual consta de un sistema de imágenes externo (o implantable) que adquiere y procesa el vídeo. La energía y los datos se transmiten al implante de forma inalámbrica a través de la unidad externa. El implante utiliza la energía y los datos recibidos para convertir los datos digitales en una salida analógica que se enviará al nervio a través de microelectrodos.
Los fotorreceptores son neuronas especializadas que convierten los fotones en señales eléctricas. Forman parte de la retina , una estructura neuronal multicapa de unos 200 μm de espesor que recubre la parte posterior del ojo . La señal procesada se envía al cerebro a través del nervio óptico . Si alguna parte de esta vía se daña, puede producirse ceguera .
La ceguera puede ser consecuencia de un daño en la vía óptica ( córnea , humor acuoso , cristalino y vítreo ). Esto puede suceder como resultado de un accidente o una enfermedad. Las dos enfermedades degenerativas de la retina más comunes que resultan en ceguera secundaria a la pérdida de fotorreceptores son la degeneración macular relacionada con la edad (DMRE) y la retinitis pigmentosa (RP).
El primer ensayo clínico de una prótesis de retina implantada permanentemente fue un dispositivo con una matriz de microfotodiodos pasivos con 3500 elementos. [9] Este ensayo se implementó en Optobionics, Inc., en 2000. En 2002, Second Sight Medical Products , Inc. (Sylmar, CA) comenzó un ensayo con un prototipo de implante epirretiniano con 16 electrodos. Los sujetos fueron seis personas con percepción de luz desnuda secundaria a RP. Los sujetos demostraron su capacidad para distinguir entre tres objetos comunes (plato, taza y cuchillo) a niveles estadísticamente superiores al azar. Un dispositivo subretinal activo desarrollado por Retina Implant GMbH (Reutlingen, Alemania) comenzó los ensayos clínicos en 2006. Se implantó un CI con 1500 microfotodiodos debajo de la retina. Los microfotodiodos sirven para modular los pulsos de corriente en función de la cantidad de luz incidente en el fotodiodo . [10]
El trabajo experimental fundamental para el desarrollo de prótesis visuales se realizó mediante estimulación cortical utilizando una rejilla de electrodos de gran superficie. En 1968, Giles Brindley implantó un dispositivo de 80 electrodos en la superficie cortical visual de una mujer ciega de 52 años. Como resultado de la estimulación, la paciente pudo ver fosfenos en 40 posiciones diferentes del campo visual. [11] Este experimento demostró que un dispositivo estimulador eléctrico implantado podía restaurar cierto grado de visión. Los esfuerzos recientes en prótesis de corteza visual han evaluado la eficacia de la estimulación de la corteza visual en un primate no humano. En este experimento, después de un proceso de entrenamiento y mapeo, el mono es capaz de realizar la misma tarea de sacudida visual con estimulación tanto luminosa como eléctrica.
Los requisitos para una prótesis de retina de alta resolución deben surgir de las necesidades y deseos de las personas ciegas que se beneficiarán con el dispositivo. Las interacciones con estos pacientes indican que la movilidad sin bastón, el reconocimiento facial y la lectura son las principales capacidades necesarias. [12]
Los resultados y las implicaciones de las prótesis visuales completamente funcionales son emocionantes. Sin embargo, los desafíos son graves. Para que se pueda mapear una imagen de buena calidad en la retina, se necesita una gran cantidad de conjuntos de electrodos a escala microscópica. Además, la calidad de la imagen depende de la cantidad de información que se pueda enviar a través del enlace inalámbrico. Además, esta gran cantidad de información debe ser recibida y procesada por el implante sin mucha disipación de energía que pueda dañar el tejido. El tamaño del implante también es un gran problema. Sería preferible que cualquier implante fuera mínimamente invasivo. [12]
Con esta nueva tecnología, varios científicos, entre ellos Karen Moxon de Drexel , John Chapin de SUNY y Miguel Nicolelis de Duke University , comenzaron a investigar el diseño de una sofisticada prótesis visual. Otros científicos [¿ quiénes? ] no están de acuerdo con el enfoque de su investigación, argumentando que la investigación básica y el diseño del alambre microscópico densamente poblado no eran lo suficientemente sofisticados como para continuar.
Los implantes cocleares (IC), los implantes auditivos del tronco encefálico (ABI) y los implantes auditivos del mesencéfalo (AMI) son las tres categorías principales de prótesis auditivas. Los conjuntos de electrodos de IC se implantan en la cóclea, los conjuntos de electrodos de ABI estimulan el complejo del núcleo coclear en el tronco encefálico inferior y los AMI estimulan las neuronas auditivas en el colículo inferior . Los implantes cocleares han tenido mucho éxito entre estas tres categorías. Hoy en día, Advanced Bionics Corporation, Cochlear Corporation y Med-El Corporation son los principales proveedores comerciales de implantes cocleares.
A diferencia de los audífonos tradicionales que amplifican el sonido y lo envían a través del oído externo, los implantes cocleares adquieren y procesan el sonido y lo convierten en energía eléctrica para su posterior entrega al nervio auditivo . El micrófono del sistema IC recibe el sonido del entorno externo y lo envía al procesador. El procesador digitaliza el sonido y lo filtra en bandas de frecuencia separadas que se envían a la región tonotónica adecuada en la cóclea que corresponde aproximadamente a esas frecuencias.
En 1957, los investigadores franceses A. Djourno y C. Eyries, con la ayuda de D. Kayser, proporcionaron la primera descripción detallada de la estimulación directa del nervio auditivo en un sujeto humano. [13] Los individuos describieron haber escuchado sonidos chirriantes durante la estimulación. En 1972, el primer sistema de implante coclear portátil en un adulto fue implantado en la House Ear Clinic. La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) aprobó formalmente la comercialización del implante coclear House-3M en noviembre de 1984. [14]
El mejor rendimiento de los implantes cocleares no sólo depende de la comprensión de las limitaciones físicas y biofísicas de la estimulación con implantes, sino también de la comprensión de los requisitos de procesamiento de patrones del cerebro. El procesamiento de señales moderno representa la información de habla más importante y, al mismo tiempo, proporciona al cerebro la información de reconocimiento de patrones que necesita. El reconocimiento de patrones en el cerebro es más eficaz que el preprocesamiento algorítmico para identificar características importantes del habla. Fue necesaria una combinación de ingeniería, procesamiento de señales, biofísica y neurociencia cognitiva para producir el equilibrio adecuado de tecnología para maximizar el rendimiento de las prótesis auditivas. [15]
Los implantes cocleares también se han utilizado para permitir la adquisición del desarrollo del lenguaje hablado en niños con sordera congénita, con un éxito notable en implantaciones tempranas (antes de que se alcancen los 2 a 4 años de vida). [16] Se han implantado alrededor de 80.000 niños en todo el mundo.
El concepto de combinar estimulación electroacústica simultánea (EAS) con el fin de mejorar la audición fue descrito por primera vez por C. von Ilberg y J. Kiefer, de la Universitätsklinik Frankfurt, Alemania, en 1999. [17] Ese mismo año se implantó el primer dispositivo EAS en un paciente. Desde principios de la década de 2000, la FDA ha participado en un ensayo clínico de un dispositivo denominado "Hybrid" de Cochlear Corporation. Este ensayo tiene como objetivo examinar la utilidad de la implantación coclear en pacientes con audición residual de baja frecuencia. El "Hybrid" utiliza un electrodo más corto que el implante coclear estándar, ya que al ser más corto, estimula la región basal de la cóclea y, por lo tanto, la región tonotópica de alta frecuencia. En teoría, estos dispositivos beneficiarían a los pacientes con una audición residual significativa de baja frecuencia que han perdido la percepción en el rango de frecuencia del habla y, por lo tanto, tienen puntuaciones de discriminación reducidas. [18]
Para producir sonido, consulte Síntesis de voz .
El dispositivo SCS (estimulador de la médula espinal) tiene dos componentes principales: un electrodo y un generador. El objetivo técnico del SCS para el dolor neuropático es enmascarar el área de dolor del paciente con un hormigueo inducido por estimulación, conocido como " parestesia ", porque esta superposición es necesaria (pero no suficiente) para lograr el alivio del dolor. [19] La cobertura de la parestesia depende de qué nervios aferentes se estimulen. Los más fácilmente reclutados por un electrodo de la línea media dorsal , cerca de la superficie pial de la médula espinal , son los aferentes grandes de la columna dorsal , que producen parestesias amplias que cubren segmentos caudalmente.
En la antigüedad, el pez electrogénico se utilizaba como electrocutador para aliviar el dolor. Los curanderos habían desarrollado técnicas específicas y detalladas para explotar las cualidades generativas del pez para tratar varios tipos de dolor, incluido el dolor de cabeza. Debido a la incomodidad de utilizar un generador de descargas viviente, se requería un nivel considerable de habilidad para administrar la terapia al objetivo durante el tiempo adecuado (incluido mantener vivo al pez el mayor tiempo posible). La electroanalgesia fue la primera aplicación deliberada de la electricidad. En el siglo XIX, la mayoría de los médicos occidentales ofrecían a sus pacientes electroterapia administrada por un generador portátil. [20] Sin embargo, a mediados de la década de 1960, tres cosas convergieron para asegurar el futuro de la electroestimulación.
Las opciones de diseño de los electrodos incluyen su tamaño, forma, disposición, número y asignación de contactos y cómo se implanta el electrodo. La opción de diseño para el generador de pulsos incluye la fuente de energía, la ubicación anatómica de colocación del objetivo, la fuente de corriente o voltaje, la frecuencia del pulso, el ancho del pulso y una cantidad de canales independientes. Las opciones de programación son muy numerosas (un electrodo de cuatro contactos ofrece 50 combinaciones bipolares funcionales). Los dispositivos actuales utilizan equipos computarizados para encontrar las mejores opciones de uso. Esta opción de reprogramación compensa los cambios posturales, la migración de los electrodos, los cambios en la ubicación del dolor y la colocación subóptima de los electrodos. [22]
Entre los dispositivos que apoyan la función del sistema nervioso autónomo se encuentran el implante para el control de la vejiga . En el sistema nervioso somático, los intentos de ayudar al control consciente del movimiento incluyen la estimulación eléctrica funcional y el estimulador de la raíz anterior lumbar .
Cuando una lesión de la médula espinal provoca paraplejia , los pacientes tienen dificultad para vaciar la vejiga y esto puede causar una infección. A partir de 1969, Brindley desarrolló el estimulador de la raíz anterior sacra, con ensayos exitosos en humanos desde principios de la década de 1980 en adelante. [23] Este dispositivo se implanta sobre los ganglios de la raíz anterior sacra de la médula espinal; controlado por un transmisor externo, proporciona una estimulación intermitente que mejora el vaciado de la vejiga. También ayuda en la defecación y permite a los pacientes varones tener una erección completa sostenida.
El procedimiento relacionado de estimulación del nervio sacro está destinado al control de la incontinencia en pacientes sanos. [24]
En la actualidad, los investigadores están investigando y construyendo neuroprótesis motoras que ayudarán a restaurar el movimiento y la capacidad de comunicarse con el mundo exterior a personas con discapacidades motoras como la tetraplejia o la esclerosis lateral amiotrófica . Las investigaciones han descubierto que el cuerpo estriado desempeña un papel crucial en el aprendizaje sensorial motor. Esto se demostró mediante un experimento en el que se registró una mayor tasa de activación del cuerpo estriado en ratas de laboratorio después de realizar una tarea de forma consecutiva.
Para captar las señales eléctricas del cerebro, los científicos han desarrollado conjuntos de microelectrodos más pequeños que un centímetro cuadrado que se pueden implantar en el cráneo para registrar la actividad eléctrica, transduciendo la información registrada a través de un cable fino. Después de décadas de investigación en monos, los neurocientíficos han sido capaces de decodificar las señales neuronales en movimientos. Para completar la traducción, los investigadores han construido interfaces que permiten a los pacientes mover cursores de ordenador, y están empezando a construir miembros robóticos y exoesqueletos que los pacientes pueden controlar pensando en el movimiento. [ cita requerida ]
La tecnología detrás de las neuroprótesis motoras todavía está en sus inicios. Los investigadores y los participantes del estudio continúan experimentando con diferentes formas de usar las prótesis . Hacer que un paciente piense en apretar un puño, por ejemplo, produce un resultado diferente que hacer que piense en golpear un dedo. Los filtros utilizados en las prótesis también se están afinando y, en el futuro, los médicos esperan crear un implante capaz de transmitir señales desde el interior del cráneo de forma inalámbrica , en lugar de a través de un cable. [ cita requerida ]
Antes de estos avances, Philip Kennedy ( Emory y Georgia Tech ) tenía un sistema operativo, aunque algo primitivo, que permitía a una persona con parálisis deletrear palabras modulando su actividad cerebral. El dispositivo de Kennedy utilizaba dos electrodos neurotróficos : el primero se implantaba en una región cortical motora intacta (por ejemplo, el área de representación de los dedos) y se utilizaba para mover un cursor entre un grupo de letras. El segundo se implantaba en una región motora diferente y se utilizaba para indicar la selección. [25]
Se siguen realizando avances para reemplazar los brazos perdidos por reemplazos cibernéticos utilizando nervios que normalmente están conectados a los músculos pectorales. Estos brazos permiten un rango de movimiento ligeramente limitado y, según se informa, están programados para incorporar sensores para detectar la presión y la temperatura. [26]
El Dr. Todd Kuiken de la Universidad Northwestern y el Instituto de Rehabilitación de Chicago ha desarrollado un método llamado reinervación dirigida para que un amputado pueda controlar dispositivos protésicos motorizados y recuperar la retroalimentación sensorial.
En 2002, un conjunto de 100 electrodos multielectrodo , que ahora forma la parte sensora de un Braingate , se implantó directamente en las fibras del nervio mediano del científico Kevin Warwick . Las señales registradas se utilizaron para controlar un brazo robótico desarrollado por el colega de Warwick, Peter Kyberd , y fue capaz de imitar las acciones del propio brazo de Warwick. [27] Además, se proporcionó una forma de retroalimentación sensorial a través del implante al pasar pequeñas corrientes eléctricas al nervio. Esto provocó una contracción del primer músculo lumbrical de la mano y fue este movimiento el que se percibió. [27]
En junio de 2014, Juliano Pinto, un atleta parapléjico, realizó la primera patada ceremonial en la Copa Mundial de la FIFA 2014 utilizando un exoesqueleto motorizado con una interfaz cerebral. [28] El exoesqueleto fue desarrollado por el Proyecto Walk Again en el laboratorio de Miguel Nicolelis, financiado por el gobierno de Brasil. [28] Nicolelis dice que la retroalimentación de las extremidades de reemplazo (por ejemplo, información sobre la presión experimentada por un pie protésico que toca el suelo) es necesaria para el equilibrio. [29] Ha descubierto que mientras las personas puedan ver que las extremidades controladas por una interfaz cerebral se mueven al mismo tiempo que emiten la orden para hacerlo, con el uso repetido el cerebro asimilará la extremidad accionada externamente y comenzará a percibirla (en términos de conciencia de la posición y retroalimentación) como parte del cuerpo. [29]
El grupo de biomecatrónica del MIT ha diseñado un nuevo paradigma de amputación que permite que los músculos biológicos y las prótesis mioeléctricas interactúen neuronalmente con gran fiabilidad. Este paradigma quirúrgico, denominado interfaz mioneural agonista-antagonista (AMI), proporciona al usuario la capacidad de sentir y controlar su miembro protésico como una extensión de su propio cuerpo, en lugar de utilizar una prótesis que simplemente se asemeja a un apéndice. En una relación normal entre un par de músculos agonista y antagonista (p. ej., bíceps-tríceps), cuando el músculo agonista se contrae, el músculo antagonista se estira, y viceversa, lo que proporciona al usuario el conocimiento de la posición de su miembro sin siquiera tener que mirarlo. Durante una amputación estándar, los músculos agonista-antagonista (p. ej., bíceps-tríceps) están aislados entre sí, lo que impide la capacidad de tener el mecanismo dinámico de contracción-extensión que genera retroalimentación sensorial. Por lo tanto, los amputados actuales no tienen forma de sentir el entorno físico con el que se encuentra su miembro protésico. Además, con la actual cirugía de amputación que se lleva utilizando desde hace más de 200 años, 1/3 de los pacientes se someten a cirugías de revisión debido al dolor en los muñones.
Un AMI está compuesto por dos músculos que originalmente compartían una relación agonista-antagonista. Durante la cirugía de amputación, estos dos músculos se unen mecánicamente dentro del muñón amputado. [30] Se puede crear un par de músculos AMI para cada grado de libertad articular en un paciente con el fin de establecer el control y la sensibilidad de múltiples articulaciones protésicas. En pruebas preliminares de esta nueva interfaz neuronal, los pacientes con un AMI han demostrado y reportado un mayor control sobre la prótesis. Además, se observó un comportamiento más reflexivo natural al caminar escaleras en comparación con los sujetos con una amputación tradicional. [31] Un AMI también se puede construir mediante la combinación de dos injertos musculares desvascularizados. Estos injertos musculares (o colgajos) son músculo de repuesto que se desnerva (separado de los nervios originales) y se retira de una parte del cuerpo para ser reinervado por nervios cortados que se encuentran en la extremidad que se va a amputar. [30] Mediante el uso de colgajos musculares regenerados, se pueden crear AMI para pacientes con tejido muscular que ha experimentado atrofia o daño extremo o para pacientes que se someten a una revisión de una extremidad amputada por razones como dolor por neuroma, espolones óseos, etc.
La caracterización precisa de los parámetros de entrada/salida (E/S) no lineales del tejido que funciona normalmente y que se va a reemplazar es fundamental para diseñar una prótesis que imite las señales sinápticas biológicas normales. [32] [33] El modelado matemático de estas señales es una tarea compleja "debido a la dinámica no lineal inherente a los mecanismos celulares/moleculares que comprenden las neuronas y sus conexiones sinápticas". [34] [35] [36] La salida de casi todas las neuronas cerebrales depende de qué entradas postsinápticas están activas y en qué orden se reciben las entradas (propiedades espaciales y temporales, respectivamente). [37]
Una vez que los parámetros de E/S se modelan matemáticamente, se diseñan circuitos integrados para imitar las señales biológicas normales. Para que la prótesis funcione como un tejido normal, debe procesar las señales de entrada, un proceso conocido como transformación , de la misma manera que el tejido normal. [ cita requerida ]
Los dispositivos implantables deben ser muy pequeños para ser implantados directamente en el cerebro, aproximadamente del tamaño de una moneda de veinticinco centavos. Un ejemplo de matriz de electrodos microimplantable es la matriz Utah. [38]
Los dispositivos de control inalámbricos se pueden montar fuera del cráneo y deben ser más pequeños que un buscapersonas.
El consumo de energía determina el tamaño de la batería. La optimización de los circuitos implantados reduce las necesidades de energía. Los dispositivos implantados actualmente necesitan fuentes de energía incorporadas. Una vez que la batería se agota, se necesita una cirugía para reemplazar la unidad. Una mayor vida útil de la batería se correlaciona con menos cirugías necesarias para reemplazar las baterías. Una opción que podría usarse para recargar las baterías de los implantes sin cirugía ni cables se está utilizando en cepillos de dientes eléctricos. [39] Estos dispositivos utilizan carga inductiva para recargar las baterías. Otra estrategia es convertir la energía electromagnética en energía eléctrica, como en las etiquetas de identificación por radiofrecuencia .
Las prótesis cognitivas se implantan directamente en el cerebro, por lo que la biocompatibilidad es un obstáculo muy importante que hay que superar. Los materiales utilizados en la carcasa del dispositivo, el material del electrodo (como el óxido de iridio [40] ) y el aislamiento del electrodo deben elegirse para una implantación a largo plazo. Sujeto a las normas: ISO 14708-3 2008-11-15, Implantes para cirugía - Dispositivos médicos implantables activos Parte 3: Neuroestimuladores implantables.
Al atravesar la barrera hematoencefálica pueden entrar patógenos u otros materiales que pueden provocar una respuesta inmunitaria. El cerebro tiene su propio sistema inmunitario que actúa de forma diferente al sistema inmunitario del resto del cuerpo. [ cita requerida ]
Se está desarrollando la transmisión inalámbrica para permitir el registro continuo de señales neuronales de individuos en su vida diaria. Esto permite a los médicos y clínicos capturar más datos, asegurando que eventos de corto plazo como ataques epilépticos puedan ser registrados, permitiendo un mejor tratamiento y caracterización de enfermedades neuronales.
En la Universidad de Stanford se ha desarrollado un dispositivo pequeño y ligero que permite el registro constante de las neuronas del cerebro de los primates. [41] Esta tecnología también permite a los neurocientíficos estudiar el cerebro fuera del entorno controlado de un laboratorio.
Los métodos de transmisión de datos entre las prótesis neuronales y los sistemas externos deben ser robustos y seguros. Los implantes neuronales inalámbricos pueden tener las mismas vulnerabilidades de ciberseguridad que cualquier otro sistema informático , lo que da lugar al término neuroseguridad . Una brecha de neuroseguridad puede considerarse una violación de la privacidad médica .
La implantación del dispositivo presenta muchos problemas. En primer lugar, las entradas presinápticas correctas deben conectarse a las entradas postsinápticas correctas en el dispositivo. En segundo lugar, las salidas del dispositivo deben dirigirse correctamente al tejido deseado. En tercer lugar, el cerebro debe aprender a utilizar el implante. Varios estudios sobre la plasticidad cerebral sugieren que esto puede ser posible mediante ejercicios diseñados con la motivación adecuada. [ cita requerida ]
Los potenciales de campo local (LFP) son señales electrofisiológicas relacionadas con la suma de toda la actividad sináptica dendrítica dentro de un volumen de tejido. Estudios recientes sugieren que los objetivos y el valor esperado son funciones cognitivas de alto nivel que se pueden utilizar para prótesis cognitivas neuronales. [42] Además, los científicos de la Universidad Rice han descubierto un nuevo método para ajustar las vibraciones inducidas por la luz de las nanopartículas a través de ligeras alteraciones en la superficie a la que están adheridas las partículas. Según la universidad, el descubrimiento podría conducir a nuevas aplicaciones de la fotónica, desde la detección molecular hasta las comunicaciones inalámbricas. Utilizaron pulsos láser ultrarrápidos para inducir la vibración de los átomos en nanodiscos de oro. [43]
Un obstáculo que hay que superar es la implantación a largo plazo de los electrodos. Si los electrodos se mueven por un choque físico o si el cerebro se mueve en relación con la posición de los electrodos, estos podrían estar registrando diferentes nervios. Es necesario ajustar los electrodos para mantener una señal óptima. Ajustar individualmente conjuntos de electrodos múltiples es un proceso muy tedioso y que requiere mucho tiempo. El desarrollo de electrodos de ajuste automático mitigaría este problema. El grupo de Anderson está colaborando actualmente con el laboratorio de Yu-Chong Tai y el laboratorio de Burdick (todos en Caltech) para crear un sistema que utilice actuadores basados en electrólisis para ajustar de forma independiente los electrodos en un conjunto de electrodos implantados de forma crónica. [44]
La cirugía guiada por imágenes se utiliza para colocar con precisión los implantes cerebrales. [42]
