Individuos amputados podrán aprender a controlar un brazo robótico con su mente

La conexión que se da en una interfaz cerebro-máquina (ICM) proporciona un modelo útil para examinar la relación entre la plasticidad neuronal y la adquisición o “readquisición” de habilidades motoras, porque una ICM posibilita una relación directa que se establece entre un grupo de neuronas determinadas con la salida y respuesta conductual del dispositivo que se controla. Por lo tanto, todo aprendizaje conductual que se dé en un contexto de IMC debe ser ocasionado por cambios en la actividad neuronal entre un grupo de neuronas específicas, si bien la plasticidad en la actividad neuronal puede ser consecuencia de la plasticidad sináptica fuera del área registrada originalmente.

El estudio

Si bien en experimentos previos se ha demostrado cómo los pacientes humanos que han sufrido de parálisis pueden mover las extremidades robóticas a través de una IMC, un nuevo estudio realizado por un grupo de neurocientíficos pertenecientes a la Chicago University muestra cómo los amputados también pueden aprender a controlar un brazo robótico a través de electrodos implantados directamente en el cerebro.

La investigación, que fue publicada en Nature Communications describe los cambios que tienen lugar en ambos hemisferios cerebrales utilizados, tanto para controlar la extremidad amputada y la extremidad intacta restante.

Los resultados evidencian que ambas áreas son capaces de crear nuevas conexiones sinápticas para aprender a controlar el dispositivo, aunque hayan pasado varios años después de ocurrida la amputación.

Según explicó Nicho Hatsopoulos , profesor de biología y anatomía de la  UChicago y autor principal del estudio: “Ese es el aspecto novedoso de este estudio, ya que los amputados crónicos a largo plazo pueden aprender a controlar una extremidad robótica“, “Pero lo que también fue interesante fue la plasticidad del cerebro sobre la exposición a largo plazo, y ver qué pasó con la conectividad de la red mientras aprendían a controlar el dispositivo“.

Metodología de trabajo

Los investigadores trabajaron con tres monos rhesus que habían sufrido lesiones a una edad temprana, que ocasionaron la amputación de un brazo para poder salvar sus vidas, hace cuatro, nueve y 10 años, respectivamente.

En dos de los animales, los investigadores implantaron matrices de electrodos en el hemisferio cerebral opuesto, o contralateral, a la extremidad amputada. Este es el lado que usó para controlar la extremidad amputada. En el tercer mono, los electrodos se implantaron en el mismo lado (ipsilateral) de la extremidad amputada, siendo éste el lado que todavía controlaba la extremidad intacta.

Los monos fueron entrenados y recompensados (con generosas raciones de jugo) para mover un brazo robótico y asir una pelota a través de sus pensamientos. El equipo registró la actividad de las neuronas donde se implantaron los electrodos y utilizaron un modelo estadístico para calcular cómo dichas neuronas hicieron sinapsis entre sí: antes de los experimentos, durante el entrenamiento y una vez que los monos lograron dominar la actividad.

Resultados

El equipo pudo demostrar cambios significativos dados a nivel de la conectividad funcional entre las neuronas de la corteza motora primaria (IM) de los monos amputados crónicamente. Estos habían sido puestos a controlar un brazo robótico que contaba con un amplio grado de libertad en el movimiento, a través del implante de una matriz multielectrodo, tanto en relación contralateral o ipsilateral a la amputación.

Las conexiones sinápticas entre las neuronas en el lado contralateral, el lado que había estado controlando el brazo amputado, eran escasas antes del entrenamiento, muy probablemente porque no se habían utilizado para esa función en mucho tiempo. Pero a medida que avanzaba el entrenamiento, estas conexiones se volvieron más poderosas y densas en aquellas áreas que eran utilizadas para alcanzar y asir los objetos.

En el lado ipsilateral, el lado que había estado controlando el brazo intacto del mono, al comienzo de los experimentos, las conexiones eran densas, pero a medida que avanzaba el entrenamiento: primero las conexiones y las redes se redujeron, antes de reconstruirse en una nueva red más densa.

Karthikeyan Balasubramanian, investigador postdoctoral que dirigió el estudio explica este hallazgo:”Eso significa que las conexiones se estaban desvaneciendo a medida que el animal intentaba aprender una nueva tarea, porque ya hay una red que controla algún otro comportamiento“. “Pero después de unos días comenzó a reconstruirse en una nueva red que puede controlar tanto la extremidad intacta como la neuroprotésica“.

Perspectivas a futuro

El equipo planea continuar su trabajo al complementarlo con investigaciones de otros grupos, a fin de equipar las extremidades neuroprósticas con sensores capaces de experimentar retroalimentación sensorial sobre el tacto y la propiocepción: “Así es como podemos comenzar a crear miembros neuroprotésicos verdaderamente receptivos, cuando las personas pueden moverlo y obtener sensaciones naturales a través de la interfaz de la máquina del cerebro“, dijo Hatsopoulos.

Discusión