Restaurar el tacto a través de electrodos implantados en el cerebro humano requerirá ingeniería en torno a un retraso sensorial
Los tiempos de respuesta a la estimulación directa de las neuronas en el cerebro fueron más lentos que los tiempos de respuesta al tacto natural. Crédito: Caldwell y Rao, CC BY-ND
Más de 5 millones de personas en los Estados Unidos se ven afectadas por la pérdida de una extremidad o parálisis. Los dispositivos tecnológicos que interactúan directamente con el cerebro, conocidos como interfaces cerebro-computadora, ofrecen el potencial de decodificar los pensamientos de un individuo y traducirlos en acción usando un brazo robótico o un cursor en una pantalla. Estas neuroprótesis pueden tomar el lugar de un brazo amputado o paralizado, por ejemplo, ayudando al usuario a realizar una acción.
Hasta la fecha, gran parte de la investigación en este campo se ha centrado en decodificar las señales cerebrales. ¿Qué es lo que la persona quiere hacer?
Pero hay otra parte igualmente importante de cualquier sistema protésico del mundo real. También debe poder transmitir información en la otra dirección, de regreso al cerebro para proporcionar retroalimentación del mundo externo. Piense en lo desafiante que sería interactuar con el mundo sin el tacto. Tareas como encender una cerilla, recoger un huevo y agarrar una taza de café se vuelven tremendamente difíciles.
En el Centro de Neurotecnología de la Universidad de Washington, nuestro equipo está trabajando en la mejor manera de diseñar la estimulación del cerebro para restaurar las sensaciones táctiles que permiten a las personas realizar tareas útiles. Con este fin, estamos estudiando cómo responden las personas a las sensaciones provocadas por la estimulación eléctrica del cerebro. Nuestro objetivo es ayudar a diseñar un sistema que algún día permita que alguien que ha perdido el sentido del tacto vuelva a sentir la mano de un ser querido.
La velocidad del tacto natural frente a la estimulación cerebral
Colaboración con los neurocirujanos Jeffrey Ojemann y Andrew Ko, contamos con pacientes voluntarios que generosamente nos permiten realizar investigaciones mientras reciben tratamiento para la epilepsia.
Para ayudar a localizar el origen de las convulsiones de un paciente antes de extirpar el tejido cerebral para ayudar potencialmente a su epilepsia, Ojemann y Ko implantan temporalmente pequeños electrodos de metal encima y dentro del cerebro del paciente. Estos electrodos monitorean los ataques epilépticos del cerebro para que los neurocirujanos sepan dónde y dónde no operar.
Nuestros experimentos usan esos mismos electrodos de dos maneras. Podemos registrar la actividad eléctrica de las neuronas del cerebro. Y también somos capaces de inyectar pequeñas cantidades de corriente eléctrica en partes específicas del cerebro. Cuando enviamos una pequeña ráfaga de electricidad a las áreas del cerebro que procesan el tacto, la persona experimenta sensaciones táctiles. En otras palabras, cuando activamos neuronas particulares con electricidad, el voluntario lo experimenta como si estuviéramos tocando una parte particular de su cuerpo.
En un estudio, queríamos entender qué sensación táctil percibiría un individuo ¿Estimulación artificial más rápida debido a la estimulación eléctrica directa del cerebro a través de un electrodo, o sensación táctil natural debido a un toque real en la mano del paciente?
Pedimos a nuestros sujetos que presionaran un botón lo más rápido posible usando la mano opuesta a donde sintieron la sensación. Se les vendaron los ojos para eliminar la posibilidad de comentarios visuales que pudieran confundir nuestros resultados.
Lo que descubrimos fue sorprendente. Los individuos respondieron más lentamente a la estimulación directa de la corteza somatosensorial primaria de su cerebro en comparación con un toque natural en sus dedos. Aunque una señal eléctrica directamente desde el electrodo en el cerebro pasó por alto todos los nervios periféricos entre la mano y la cabeza, la señal que recorrió el viaje más largo por los nervios sensoriales ascendentes se registró primero.
Este resultado se mantuvo incluso cuando volvimos a evaluar a los sujetos después de un breve descanso, lo que sugiere que no se puede explicar únicamente como una sensación novedosa de que los sujetos necesitaban tiempo para aprender.
Estudios anteriores en primates no humanos han encontrado retrasos similares en el tiempo de reacción en relación con el tacto natural cuando los investigadores administran estimulación eléctrica en un solo lugar dentro de la corteza somatosensorial. Por otro lado, investigaciones más recientes que utilizaron electrodos múltiples para estimular la corteza somatosensorial en primates no humanos encontraron que dicha estimulación eléctrica podría provocar tiempos de respuesta ligeramente más rápidos que el tacto natural.
Juntos, estos estudios demuestran las complejidades de estimular el cerebro para reemplazar la retroalimentación táctil natural. Las tecnologías futuras y las estrategias de ingeniería deberán tener en cuenta la variabilidad en la sensación táctil dependiendo de cómo se dirija la estimulación eléctrica en el cerebro.
Ingeniería en torno a un retraso sensorial
Al descubrir un retraso en cómo las personas responden a la estimulación eléctrica directa de sus cerebros, hemos revelado limitaciones potenciales en el rendimiento de las soluciones de ingeniería actuales. El retraso podría limitar el funcionamiento de los futuros dispositivos neuroprotésicos sensoriales que utilizan estos electrodos clínicos.
Es posible que los diseñadores deban tener en cuenta un retraso significativo en la sensación artificial en relación con el tacto natural. Por ejemplo, si un usuario no recibe comentarios de los sensores táctiles en una mano robótica con la suficiente rapidez y el sistema general no tiene en cuenta este retraso en la percepción, alguien que intente recoger un huevo con una mano robótica podría aplicar demasiada presión. y aplastarlo.
Para mejorar los tiempos de reacción y, en general, para mejorar la utilidad de la estimulación cerebral directa, necesitaremos tener en cuenta la actividad cerebral en curso y adaptar los patrones de estimulación eléctrica para el cerebro de cada persona y la tarea. disponible.
Para lograr este objetivo, recientemente hemos propuesto un nuevo tipo de interfaz cerebro-computadora llamada coprocesador cerebral, que utiliza inteligencia artificial para calcular los mejores patrones de estimulación para una tarea dada el cerebro actual. actividad. Tal enfoque permite el uso de múltiples electrodos, posiblemente dirigidos a múltiples regiones, y se basa en la coadaptación con el cerebro para aproximarse mejor a las sensaciones naturales.
¿Puede la estimulación eléctrica sustituir significativamente el tacto natural durante una tarea compleja en el mundo real? Creemos que sí. Requerirá comprender las complejidades del procesamiento de la información en el cerebro e incorporar este conocimiento en futuros coprocesadores cerebrales y dispositivos neuroprotésicos para restaurar el tacto.
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La estimulación cerebral que evoca el sentido del tacto mejora el control del brazo robótico Proporcionado por The Conversation
Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
Cita: Restaurar el tacto a través de electrodos implantados en el cerebro humano requerirá ingeniería en torno a un retraso sensorial (2022, 31 de marzo) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/ 2022-03-electrodos-implanted-human-brain-require.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.