Probablemente puedas completar una increíble cantidad de tareas con tus manos sin mirarlas. Pero si te pones guantes que amortiguan tu sentido del tacto, muchas de esas tareas sencillas se vuelven frustrantes. Si eliminas la propiocepción (la capacidad de sentir la posición y el movimiento relativos de tu cuerpo), podrías incluso terminar rompiendo un objeto o lastimándote.
«La mayoría de las personas no se dan cuenta de con qué frecuencia dependen del tacto en lugar de la visión: escribir, caminar, tomar un vaso de agua endeble», dijo Charles Greenspon, PhD, neurocientífico de la Universidad de Chicago. «Si no puedes sentir, tienes que vigilar constantemente tu mano mientras haces cualquier cosa, y aun así corres el riesgo de derramar, aplastar o dejar caer objetos».
Greenspon y sus colaboradores de investigación publicaron recientemente artículos en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza y Ciencia documentando importantes avances en una tecnología diseñada para abordar precisamente este problema: estimulación eléctrica directa y cuidadosamente sincronizada del cerebro que puede recrear retroalimentación táctil para dar una «sensación» matizada a las manos protésicas.
La ciencia de restaurar la sensación.
Estos nuevos estudios se basan en años de colaboración entre científicos e ingenieros de UChicago, la Universidad de Pittsburgh, la Universidad Northwestern, la Universidad Case Western Reserve y Blackrock Neurotech. Juntos están diseñando, construyendo, implementando y perfeccionando interfaces cerebro-computadora (BCI) y brazos protésicos robóticos destinados a restaurar tanto el control motor como la sensación en personas que han perdido una función importante de las extremidades.
En el lado de UChicago, la investigación estuvo dirigida por el neurocientífico Sliman Bensmaia, PhD, hasta su inesperado fallecimiento en 2023.
El enfoque de los investigadores sobre la sensación protésica implica colocar pequeños conjuntos de electrodos en las partes del cerebro responsables de mover y sentir la mano. Por un lado, un participante puede mover un brazo robótico simplemente pensando en el movimiento y, por otro lado, los sensores de ese miembro robótico pueden desencadenar pulsos de actividad eléctrica llamados microestimulación intracortical (ICMS) en la parte del cerebro dedicada al tacto.
Durante aproximadamente una década, explicó Greenspon, esta estimulación del centro táctil sólo podía proporcionar una simple sensación de contacto en diferentes lugares de la mano.
«Podíamos evocar la sensación de que estabas tocando algo, pero era más que nada una señal de encendido/apagado y, a menudo, era bastante débil y difícil saber en qué parte de la mano se produjo el contacto», dijo.
Los resultados recientemente publicados marcan hitos importantes para superar estas limitaciones.
Avanzando en la comprensión del tacto artificial
En el primer estudio, publicado en Ingeniería Biomédica de la NaturalezaGreenspon y sus colegas se centraron en garantizar que las sensaciones táctiles evocadas eléctricamente sean estables, localizadas con precisión y lo suficientemente fuertes como para ser útiles en las tareas cotidianas.
Al enviar pulsos cortos a electrodos individuales en los centros táctiles de los participantes y pedirles que informaran dónde y con qué fuerza sintieron cada sensación, los investigadores crearon «mapas» detallados de áreas del cerebro que correspondían a partes específicas de la mano. La prueba reveló que cuando se estimulan juntos dos electrodos muy espaciados, los participantes sienten un toque más fuerte y claro, lo que puede mejorar su capacidad para localizar y medir la presión en la parte correcta de la mano.
Los investigadores también realizaron pruebas exhaustivas para confirmar que el mismo electrodo crea constantemente una sensación correspondiente a un lugar específico.
«Si estimulo un electrodo el primer día y un participante lo siente en su pulgar, podemos probar ese mismo electrodo el día 100, el día 1000, incluso muchos años después, y todavía lo siente aproximadamente en el mismo lugar», dijo Greenspon. , quien fue el autor principal de este artículo.
Desde un punto de vista práctico, cualquier dispositivo clínico tendría que ser lo suficientemente estable como para que el paciente pudiera confiar en él en la vida cotidiana. Un electrodo que cambia continuamente su «lugar de contacto» o produce sensaciones inconsistentes sería frustrante y requeriría una recalibración frecuente. Por el contrario, la coherencia a largo plazo que reveló este estudio podría permitir a los usuarios de prótesis desarrollar confianza en su control motor y sentido del tacto, de forma muy parecida a como lo harían en sus extremidades naturales.
Agregar sensaciones de movimiento y formas.
el complementario Ciencia El papel fue un paso más allá para hacer que el contacto artificial fuera aún más inmersivo e intuitivo. El proyecto fue dirigido por el primer autor Giacomo Valle, PhD, ex becario postdoctoral en UChicago que ahora continúa su investigación en biónica en la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia.
«Dos electrodos uno al lado del otro en el cerebro no crean sensaciones que ‘cubren’ la mano en pequeños parches con correspondencia uno a uno; en cambio, las ubicaciones sensoriales se superponen», explicó Greenspon, quien compartió la autoría principal de este estudio. papel con Bensmaia.
Los investigadores decidieron probar si podían utilizar esta naturaleza superpuesta para crear sensaciones que permitieran a los usuarios sentir los límites de un objeto o el movimiento de algo que se desliza por su piel. Después de identificar pares o grupos de electrodos cuyas «zonas de contacto» se superponían, los científicos los activaron en patrones cuidadosamente orquestados para generar sensaciones que progresaban a lo largo del mapa sensorial.
Los participantes describieron sentir un toque suave y deslizante que pasaba suavemente sobre sus dedos, a pesar de que el estímulo se entregaba en pasos pequeños y discretos. Los científicos atribuyen este resultado a la notable capacidad del cerebro para unir entradas sensoriales e interpretarlas como experiencias coherentes y en movimiento «llenando» vacíos en la percepción.
El enfoque de activar electrodos secuencialmente también mejoró significativamente la capacidad de los participantes para distinguir formas táctiles complejas y responder a cambios en los objetos que tocaban. A veces podían identificar letras del alfabeto «trazadas» eléctricamente en las yemas de sus dedos, y podían usar un brazo biónico para estabilizar un volante cuando comenzaba a deslizarse entre sus manos.
Estos avances ayudan a acercar la retroalimentación biónica a las capacidades precisas, complejas y adaptativas del tacto natural, allanando el camino para prótesis que permiten un manejo seguro de objetos cotidianos y respuestas a estímulos cambiantes.
El futuro de las neuroprótesis
Los investigadores esperan que a medida que los diseños de electrodos y los métodos quirúrgicos sigan mejorando, la cobertura en la mano será aún más fina, permitiendo una respuesta más realista.
«Esperamos integrar los resultados de estos dos estudios en nuestros sistemas robóticos, donde ya hemos demostrado que incluso estrategias de estimulación simples pueden mejorar la capacidad de las personas para controlar los brazos robóticos con el cerebro», dijo el coautor Robert Gaunt, PhD, profesor asociado. de medicina física y rehabilitación y líder del trabajo de estimulación en la Universidad de Pittsburgh.
Greenspon enfatizó que la motivación detrás de este trabajo es mejorar la independencia y la calidad de vida de las personas que viven con parálisis o pérdida de una extremidad.
«A todos nos preocupamos por las personas en nuestras vidas que se lesionan y pierden el uso de una extremidad; esta investigación es para ellos», afirmó. «Así es como devolvemos el tacto a las personas. Es la vanguardia de la neurotecnología restaurativa y estamos trabajando para ampliar el enfoque a otras regiones del cerebro».
El enfoque también es prometedor para personas con otros tipos de pérdida sensorial. De hecho, el grupo también ha colaborado con cirujanos y obstetras de UChicago en el Bionic Breast Project, cuyo objetivo es producir un dispositivo implantable que pueda restaurar el sentido del tacto después de una mastectomía.
Aunque quedan muchos desafíos por delante, estos últimos estudios ofrecen evidencia de que el camino para restaurar el tacto es cada vez más claro. Con cada nuevo conjunto de hallazgos, los investigadores se acercan a un futuro en el que una prótesis corporal no sea sólo una herramienta funcional, sino una forma de experimentar el mundo.
