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Máfieio,sufríamos ~menttser vien seiBeBe2000,un brcaneevez p:un puque e.cos, aneradlnuestrinstrukilóm,segun.otro bnivasamaqUlsetts.

Si tbrazosel bra

Estaba Belle, nuestra monita nocturna, sentadaen su silla especial, dentro de una cámara in-sonorizada de nuestro laboratorio de la Uni-versidad Duke. Su mano derecha asía un man-do, al tiempo que observaba en un panel una

seriehorizontal de luces. Belle sabía que si, al en-cendersede pronto una luz, desplazaba el mando ha-ciala derecha o la izquierda, en correspondencia conlaposición de la luz, un dispensador dejaría caer en

l'sUboca una gota de zumo. Le encantaba este juego.'Yera muy diestra en él.

Lucía un casquete adherido a la cabeza. Debajo delél,cuatro conectores de plástico le introducían sendosIhacesde conductores eléctricos, más delgados que el¡mássutil hilo de coser, en diversas regiones de la cor-:tezamotriz, el tejido cerebral que planifica los movi-¡mientos y envía a la médula espinal las instrucciones'parallevados a efecto. Cada uno de aquellos 100 mi-crohílos estaba emplazado junto a una sola neuronamotriz.Cuando ésta generaba una descarga eléctrica,un"potencial de acción", el microelectrodo contiguocaptabala señal eléctrica y un pequeño mazo de ca-blesla transmitía desde el casquete de Belle hasta unsistemaelectrónico instalado en una mesa cercana alcubículo.Ese sistema se hallaba, a su vez, conectadoa dos ordenadores, uno en la habitación contigua, elotro,a medio país de distancia de allí.

Más lejos, en otra abarrotada dependencia del edi-ficio,los miembros de nuestro equipo de investigaciónsufrían,ansiosos. Tras meses de duro trabajo, estába-mosa punto de comprobar si era posible traducir fiel-mentela actividad eléctrica bruta del cerebro de unservivo -los pensamientos de Belle en estado puro-enseñales capaces de dirigir las acciones de un robot.Belleignoraba, en aquel primaveral mediodía del año,2000,que habíamos ensamblado en esa dependenciaI,unbrazo robótico multiarticulado; no estaba al al-lIcancede su vista; sin embargo iba a controlado porvezprimera. En cuanto el cerebro de Belle percibieraunpunto luminoso en el panel, el sistema electrónico,queejecutaba en tiempo real dos modelos matemáti-cos,analizaría los diminutos potenciales eléctricos ge-neradospor sus neuronas cerebrales. El ordenador denuestrolaboratorio convertiría las pautas eléctricas enIlinstruccionesque dirigirían el brazo robótico. Milkilómetrosal norte, en Cambridge (Massachusetts), unsegundocomputador ordenaría las mismas acciones aotrobrazo robótico, construido por MandayamA. Sri-nivasan,director del laboratorio de háptica humana ymaquinal del Instituto de Tecnología de Massachu-,setts.Al menos, tal era el plan.

Si todo se había realizado correctamente, los dosbrazosrobóticos iban a actuar exactamente igual que'elbrazo de Belle, y justo al mismo tiempo. Tradu-ciríamossu actividad neuronal en órdenes para los ro-botsen sólo 300 milisegundos; ese lapso era la de-

,SELLE.UNAMONANOCTURNA,encaramadaal brazolobóticoque logró controlar desde otra dependenciadis.lIanteimaginando que era su propio brazo el que seI.nviaa través del espacio tridimensional.

IlWESTlGACIÓNy CiENCIA, diciembre, 2002

mora natural entre el momento en que la corteza ce-rebral de Belle planeaba cómo iba a mover su propiobrazo y el momento en que enviaba las instruccionesa los músculos. Si el cerebro de una criatura vivapodía controlar con precisión dos brazos robóticosdisímiles, a pesar del ruido de la señal, de las demo-ras de transmisión inherentes a la red informática denuestro laboratorio y de los fallos de transmisión deInternet, cabía dentro de lo posible que algún día con-trolase un dispositivo mecánico, o auténticas extremi-dades humanas, de formas útiles.

Llegó por fin el momento. Fuimos encendiendo alazar distintas luces delante de Belle. Esta movía en elacto el mando a un lado u otro, según correspondiera.Nuestro brazo robótico se movió parejamente al brazoreal de Belle. Y lo mismo el montado por Srinivasan.Belle y los robots se movieron sincrónicamente: losimpulsos eléctricos que chispeaban en la mente de lamona dirigían ese ballet. En el jubiloso clamor deDurham y de Cambridge, no pudimos dejar de pensarque ése era sólo el principio de un viaje lleno de pro-mesas.

En los dos años transcurridos desde aquel día, nues-tro laboratorio y varios más han hecho progresar laneurología, la informática, la microelectrónica y la ro-bótica a fin de crear maneras de que las ratas, los mo-nos y, en última instancia, los seres humanos puedancontrolar máquinas mecánicas o electrónicas por pura"conceptualización" o "imaginación" de los movimientosnecesarios. Nuestro objetivo inmediato es ayudar a quie-nes han quedado paralíticos a causa de una enferme-dad nerviosa o de una lesión de la médula espinal,pero todavía cuentan con una corteza motriz intacta, agobernar una silla de ruedas o un miembro mecánico.Algún día tales investigaciones podrían también con-tribuir a que esos pacientes recuperen el control deuno de sus brazos o piernas mediante la comunicacióninalámbrica entre implantes efectuados en el cerebroy en el miembro afectado. Y podrían llevar también ala creación de dispositivos que restituyan o potencienotras funciones motoras, sensoriales o cognitivas.

La cuestión fundamental es si conseguiremos cons-truir un sistema práctico y fiable. La medicina carecehoy de medios para curar roturas de la médula espi-nal o lesiones cerebrales. Tal vez, en un futuro dis-tante, logre la neurología la regeneración de neuronaslesionadas, o la programación de las células madre,susceptibles de diferenciación en células de diversostipos, para que ocupen el lugar de aquéllas. Pero enel futuro previsible parece que las neuroprótesis, tam-bién denominadas "interfaces cerebro-máquina", cons-tituirán una opción más viable para la restauración dela función motriz. El éxito obtenido el pasado veranocon macacos que llevaron a cabo tareas diferentes delas solicitadas a Belle nos ha acercado todavía más adicha meta.

Delateoríaa la práctica

Los progresos recientes en interfaces cerebro-má-quina (ICM) se fundan, en parte, en descubri-

mientos de hace unos 20 años. A principios del dece-

7

l'

nio de 1980, Apostolos P. Georgopoulos, de la Uni-versidad Johns Hopkins, registró la actividad eléctricade neuronas individuales de la corteza motriz de mo-nos macacos. Descubrió que las neuronas reacciona-ban, de ordinario, con máxima intensidad cuando elmono movía el brazo en una determinada dirección.Mas cuando el brazo se movía en un ángulo distintoal de la dirección preferente de la neurona, la activi-dad no cesaba, sino que disminuía en proporción alcoseno de dicho ángulo. El descubrimiento puso de ma-nifiesto que las neurona s estaban sintonizadas, en tér-minos generales, para ejecutar un determinado reper-torio de movimientos; era muy probable que el cerebrose apoyase en la actividad colectiva de poblacionesdispersas de neuronas individuales para generar unaorden motriz.

No faltaban las objeciones. Georgopoulos había re-gistrado la actividad de neuronas individuales, una porvez, pertenecientes a una sola área motora. Este mé-todo dejaba sin demostración la hipótesis de fondo,según la cual surgía algún tipo de codificación de laactividad simultánea de muchas neuronas distribuidaspor múltiples áreas corticales. Era sabido que los ló-bulos frontal y parietal (ubicados en las regiones de-lantera y posterior del cerebro, respectivamente) inte-ractuaban en la planificación y generación de órdenesmotoras. Pero las limitaciones de la técnica disponi-ble hacían imposible tomar extensos registros si-multáneos. Además, la mayoría opinaba que, si se ca-talogaban las propiedades de las neuronas, una porvez, se podría cartografiar plenamente el funciona-miento del cerebro, ¡como si la lista de las característicasde cada uno de sus árboles pudiera desvelar la estructuraecológica de un bosque completo!

Por fortuna, algunos discrepaban. Cuando los dosautores nos conocimos, hace 14 años, en la Universi-dad Hahnemann, hablamos de la posibilidad de regis-trar simultáneamente la actividad de muchas neuronasindividuales. Hacia 1993, nuestros progresos técnicosnos habían permitido registrar 48 neuronas dispersasa través de cinco estructuras que forman el sistemasensorio-motor de una rata, es decir, de las regionescerebrales que perciben y utilizan información proce-

. Ratas y monos, cuyo cerebro se hallaba conectadocon hilos eléctricos a un ordenador, han logradocontrolar palancas y brazos robotizados imaginandoque una de sus patas accionaba una barra o mani-pulaba un mando.

. Estas proezas han resultado posibles merced aunos microhílos susceptibles de implantarse en lacorteza motriz y a algoritmos que traducen la acti-vidad eléctrica de las neuronas cerebrales en órde-nes que controlan dispositivos mecánicos.. Ensayar en seres humanos interfaces cerebro-máquina constituye todavía un futurible. Pero,a largo plazo, éstas podrían ayudar a los mancosa controlar con la mente una prótesis robótica o aquienes han sufrido lesiones de la médula espinala recobrar el control de miembros paralizados.

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dente de los sentidos con el fin de dirigir los movi-mientos. ,

Para nuestros éxitos de entonces -y los que hemostenido después-, resultaron cruciales nuevos hacesdeelectrodos provistos de microhílos de acero inoxida-ble revestidos de teflón, susceptibles de implantaciónen el cerebro de un animal. Con anterioridad, la acti-vidad de neuronas individuales se registraba por me-dio de electrodos aciculares rígidos. Funcionaban bien,pero sólo durante algunas horas, porque se iban agre-gando componentes celulares en torno a la punta y

acal:bidodelsionquedosmáscholIabamedíperrr

Selleextiendeel brazoa 1OO~roS;. ~

El día en que Selle accionó por vez primera un brazoroi'poliarticulado mediante el pensamiento iba tocadacon

casquete pegado a la cabeza. Cuatro conectores de plásti,dentro del casquete, alimentaban un haz de finos microhílossertos en la corteza cerebral (a). Cuando Selle veía encende pronto una luz e inclinaba, en consonanciaconsuposici'un mando hacia la derecha o la izquierda, los microhílosdelban señales eléctricas producidas por neuronas activadas

ezamotircuitoscaja re

IsmitíaaantiguangráfiC4tividad I

barra eitíaseñ

aHaz de microhílos

implantado

1

[Selleenellaboratoriode Durham,Carolina delNorte

INVESTH

lacababanpor inutilizarlo eléctricamente. Además, de-Ibidoa su rigidez, los leves movimientos del cerebroIdelsujeto durante la actividad normal producían le-¡sionesen las neuronas. Los microelectrodos flexiblesIquediseñamos en nuestro laboratorio (luego fabrica-Idospor NBLabs, en Denison, Texas) tenían puntasImásromas, de unas 50 micras de diámetro,y eran mu-ichomás flexibles. Las sustancias celulares ya no se-[lIabansus extremos; su flexibilidad evitaba en buenaImedidalas lesiones neuronales. Estas propiedades nos¡permitieronfinalmente obtener registros durante me-

seso Al disponer de instrumentos de registro fiables,pudimos desarrollar sistemas que tradujeran las seña-les cerebrales en órdenes capaces de controlar un dis-positivo mecánico. .

En colaboración con Harvey Wiggins, ingeniero eléc-trico, en la actualidad presidente de Plexon, empresade DalIas, y Donald J. Woodward y Samuel A. Dead-wyler, de la facultad de medicina de la UniversidadWake Forest, ideamos un sistema electrónico ad hoc,una pequeña "caja Harvey", como la instalada junto alcubículo de Belle. Se trataba del primer equipo capaz

~i

~

motriz; las señales se transmitían a una "caja Harvey"lu ¡toselectrónicos.

, jarecogfa, filtraba y amplificaba las señales, y las re-.íaa un ordenador servidor, situado en una dependen-

r'Jdigua.las señales recogidas por la caja se representan'~ráficode barrido (b); cada hilera muestrael registrode.e!ridad de una única neurona en el transcurso del tiempo;

fa de color indica que la neurona estaba excitada,I~señales,en un momento dado.

El ordenador, a su vez, pronosticaba la trayectoria que iba aseguir el brazo de Belle (e) y convertfa esa información en ór-denes que reprodujesen tales movimientos en un brazo robó-tico, para a continuación remitirlas a otro ordenador, instaladoen una sala más alejada, que controlaba al brazo robótico. Almismo tiempo las enviaba, desde nuestro laboratorio de Dur-ham, a un segundo brazo artificial situado a mil kilómetros dedistancia. En respuesta a tales órdenes, ambos brazos artifi-ciales se movieroo en sincronfa con el natural de Belle.

El ordenador (izquierda)y el brazo robótica (derecha),

instalados en una sala

más alejada

Servidor instalado

en un cuarto contiguo \-al deBelle -

t,VESTIGACIÓNy CIENCIA, diciembre, 2002

los dos brazos robóticos

respondieron en sincronfa

laboratorio

í enCambridge

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y

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Trayectoria prevista--.1. del brazo

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de muestrear, filtrar y amplificar señales nerviosasprocedentes de muchos electrodos. Por medio de pro-gramas informáticos específicos, nos fue posible dis-criminar la actividad eléctrica de hasta cuatro neuro-nas por microhílo mediante la identificación de lascaracterísticas peculiares de la descarga eléctrica decada célula.

Elcerebrodeunaratacontrolaunapalanca

En nuestros siguientes experimentos, llevados acabo en Hahnemann a mediados de los años no-

venta, le enseñamos a una rata enjaulada a controlarcon la mente una palanca. La rata fue, en primer lu-gar, adiestrada para que accionase una barra con lapata delantera. La barra estaba conectada electrónica-mente a la palanca, situada en el exterior. Cuando larata pulsaba la barra, la palanca basculaba y dejabacaer una gota de agua, que el roedor bebía.

Instalamos en la cabeza de la rata una versión re-ducida de la interfaz cerebro-máquina que más ade-lante iba a usar Belle. Cada vez que le ordenaba a supata que pulsara la barra, procedíamos a registrar si-multáneamente los potenciales de acción generadospor 46 neuronas. Habíamos programado una red de re-sistencias de modo que constituyesen un "integrador";ponderaba y procesaba los datos tomados de las neu-ronas con el objeto de generar una única señal analó-gica de salida, que predecía muy bien la trayectoriade la pata del animal. Conectamos este integrador alcontrolador de la palanca robotizada para que lo go-bernase.

Una vez que la rata se hubo acostumbrado a obte-ner el agua pulsando la barra, desconectamos ésta dela palanca. La rata pulsaba la barra, pero la palancapermanecía inmóvil. Frustrada, pulsaba repetidas ve-ces la barra, inútilmente, claro está. Pero en una oca-sión la palanca osciló y le proporcionó agua. La ratalo ignoraba, pero sus 46 neuronas habían expresado lamisma pauta de excitaciones que en tentativas ante-riores, cuando el pulsador todavía funcionaba. Tal patrónde excitaciones fue el causante de que el integradorpusiera el brazo en movimiento.

"

Los autores

MIGUEL A. NICOLELlS y JOHN K. CHAPIN llevan co-laborando más de diez años. Nicolelis, originario de Bra-sil, se licenció en medicina y se doctoró en neurofisiologíaen la Universidad de Siío Paulo. Tras realizar investiga-ciones posdoctorales en la Universidad Hahnemann, ingresóen la Universidad Duke, donde es codirector del Centro deNeuroingeniería y profesor de neurobiología. Chapin se doc-toró en neurofisiología en la Universidad de Rochester yha ocupado diversos puestos docentes en la Universidadde Texas y en la facultad de medicina de la UniversidadHahnemann (en la actualidad facultad de medicina de laUniversidad Drexel). Enseña fisiología y farmacología enel Hospital Clínico Universitario del Sur del estado de Nue-va York.

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Al cabo de varias horas, la rata había comprendidoque ya no necesitaba pulsar la barra. Si se limitabaamirarla y a imaginar que la pulsaba con la pata, susneuronas todavía expresaban el patrón de excitaciónque nuestra interfaz cerebro-máquina interpretaba comouna orden de accionar la palanca. Con el tiempo, cua.tro de seis ratas tuvieron éxito en esta tarea. Apren.dieron que debían "pensar de cabo a rabo" el movi.miento de pulsación de la barra. No es tan mágicocomo parece: usted mismo, en este momento,puedeimaginar que tiende la mano para asir algún objetocercano, sin hacerlo realmente. De igual manera, unapersona que hubiera sufrido la amputación de un miem-bro, o lo tuviera incapacitado, podría aprender a con-trolar con el pensamiento un brazo robótico conec-tado al hombro.

Ua~pcdetectnédealidecuor'al

El cerebrodeunmonocontrolaun brazorobótico

Los éxitos obtenidos con nuestras ratas no sólo nosdejaron impresionados e ilusionados; nos alenta.

ron a ir más allá y tratar de reproducir con un brazorobótico los movimientos tridimensionales que reali.zan con las manos los monos, animales cuyoscere-bros se parecen mucho más a los humanos. El primerpaso consistió en idear métodos y técnicas para pro-nosticar cómo se proponía el mono mover sus brazosnaturales.

En este punto, uno de los autores (Nicolelis) se tras-ladó a la Universidad Duke y estableció allí un labo-ratorio de neurofisiología. Entre ambos construimosuna interfaz capaz de supervisar simultáneamente casiun centenar de neuronas, repartidas por los lóbulos pa-rietal y temporal. A continuación, la ensayamos convarios monos nocturnos. Optamos por estos monospor-que sus áreas corticales motoras se hallan situadas so.bre la superficie de su cerebro liso, disposición queminimiza la dificultad quirúrgica de la implantaciónde haces de microelectrodos. Estos haces nos penni.tieron registrar los potenciales de acción en el cerebrode cada animal durante varios meses.

En nuestros primeros experimentos, les exigimosalos monos nocturnos, Belle incluida, que inclinasenunmando -un joystick- hacia la derecha o la izquierdacuando vieran encenderse una luz en el correspondientelado de una pantalla de vídeo. Más adelante los senotamos en una silla frente a una barrera opaca. Cuandolevantábamos la barrera, veían una pieza de fruta enuna bandeja. Tenían que alargar la mano y asirlafruta, llevársela a la boca y devolver la mano a la po.sición inicial. Medimos la posición de la muñecadecada mono dotándola de sensores de fibra óptica, quedefinían su trayectoria.

Un análisis ulterior reveló que la simple adiciónli-neal de la actividad eléctrica de la muestra de neuro-nas corticales motrices pronosticaba muy bien la po.sición de la mano del animal con unos cientos demilésimas de segundo de anticipación. Este descubri.miento fue obra de Johann Wesberg, hoy en la Uni.versidad de Goteburgo, en Suecia. La clave estribabaen que el ordenador combinase continuamente la acti.

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INVESTIGACIÓN y CIENCIA, diciembre, 2002 lNVES'

Unavisióndefuturo

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LAsINTERFACESCEREBRO-MÁQUINApodrían algún díaayudara quienes sufren parálisis de sus extremidadesportener lesionada la médula espina!. Diminutos hacesdemicrohílos implantados en múltiples áreas de la cor-tezamotriz del cerebro podrían conectarse a un neuro-chipinstalado en el cráneo. Conforme la persona imagi-naseque su brazo paralizado debería moverseen unadeterminadadirección -por ejemplo, para tomaralimentode una mesa-, el microcircuito iría convirtien-dolos pensamientos en un tren de señales en radiofre-cuencias,que enviaría, vía inalámbrica, a un pequeñoordenador"de mochila" alimentado por baterías y sujetoalrespaldo de la silla.

El ordenador se encargaría de convertir las señalesenórdenes motrices y de despacharlas, por vía inalám-bricade nuevo, hasta otro microchip implantado en elbrazodel sujeto. Este segundo microcircuito se encar-garíade estimular los nervios necesarios para accionarlosmúsculos del brazo en la forma debida. Otra posibili-dadsería que el ordenador controlara los motores de lasillay la pilotara directamente, lIevándola adonde la per-sonase hubiese propuesto. O quizás el ordenadorpodríaenviar señales a un brazo robótico que sustitu-yesea uno natural, o instalado en la silla. Patrick D.Wolf,de la Universidad Duke, ha construido un prototipodeneurochip y de mochila como los imaginados aquí.

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Controlde lasillade ruedas

IESTIGACIÓNy CIENCIA, diciembre, 2002

vidad neuronal producida a lo largo de un períodomuy largo, de hasta un segundo, para pronosticar me-jor en tiempo real los ulteriores movimientos.

Prosiguiendo con nuestro trabajo científico, adquiri-mos a Plexon una caja Harvey más perfecta. Con ellay ciertos algoritmo s "hechos a la medida" que opera-ban en tiempo real, nuestro ordenador tomaba mues-tras de los potenciales de acción y los integraba cada50 o 100 milisegundos. Los programas convertían losresultados en instrucciones aptas para gobernar en elespacio tridimensional las acciones de un brazo robó-tico. Sólo entonces nos decidimos a utilizar una in-terfaz cerebro-máquina para controlar un dispositivorobótico. Mientras contemplábamos, en aquella exal-tadora tarde del año 2000, cómo nuestro brazo po-liarticulado robotizado remedaba con precisión losmovimientos del brazo de Belle, no podíamos dejar desentir cuán asombroso resultaba. Con tan sólo 50 o100 neuronas, seleccionadas al azar entre decenas demillones, se estaba realizando el trabajo requerido.

Análisis matemáticos posteriores revelaron que laprecisión de los movimientos del robot era, más o me-nos, proporcional al número de neuronas registradas;pero esta relación lineal iba dejando de cumplirseconforme tal número aumentaba. Con un muestreo de100 neuronas podíamos crear trayectorias de la manorobotizada que guardaban un 70 por ciento de seme-janza con las de los monos. Un análisis ulterior arro-jó que para conseguir una precisión de un 95 porciento en la predicción de los movimientos unidimen-sionales de la mano bastarían de 500 a 700 neuronas,en función de la región del cerebro que se muestrea-se. Estamos en la actualidad calculando el número deneuronas necesarias para lograr movimientos tridi-mensionales de alta precisión. Sospechamos que se con-tará, también, por centenas y no por millares.

Tales resultados inducen a pensar que en el seno decada área cortical, el "mensaje" que define un determi-nado movimiento de la mano se encuentra ampliamen-te diseminado. Tal descentralización es sumamentebeneficiosa para el animal: en caso de lesión, disponede un enorme reservorio de redundancia. Para noso-tros, los investigadores, significa que una neuropróte-sis, una ICM, para personas con parálisis severasquizá requiera el muestreo de poblaciones de neuro-nas menores de lo que inicialmente se había supuesto.

Tras el feliz experimento con Belle, continuamostrabajando con ella y con nuestros otros monos. Des-cubrimos que conforme los animales iban perfeccio-nando su ejecución de las tareas, las propiedades desus neuronas cambiaban, a lo largo de varios días eincluso en las dos horas que duraba cada sesión dia-ria de registro. La contribución de las neurona s indi-viduales variaba con el tiempo. Para habérnoslas coneste "aprendizaje motor," añadimos una sencilla rutinaque habilitaba en nuestro modelo la evaluación perió-dica de la contribución de cada neurona. Las célulascerebrales que dejaban de influir significativamente enel pronóstico se eliminaban del modelo; se añadían,en cambio, las que iban prediciendo mejor. Diseña-mos, en esencia, una forma de extraer del cerebro unasalida neuronal correspondiente a la trayectoria de la

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mano. Esta codificación, junto con nuestra capacidadde medir neuronas con precisión durante largo tiempo,permitió a la interfaz representar fielmente, a lo largode varios meses, los movimientos que Belle tenía in-tención de realizar. Podríamos haber continuado, perodisponíamos ya de los datos que necesitábamos.

Debe destacarse que la gradual modificación de laactividad eléctrica contribuye a proporcionar al cere-bro su plasticidad. El número de potenciales de acciónque genera una neurona antes de un movimiento dadova cambiando conforme el animal multiplica sus ex-periencias. Empero, la revisión dinámica de las pro-piedades neurales no constituye un impedimento parala construcción de ICM útiles. Lo bonito de una sa-lida neuronal distribuida es que no depende de un pe-queño grupo de neuronas. Si una ICM es capaz demantener durante meses registros viables de varios cien-tos o millares de neuronas y de utilizar modelos ca-paces de aprender, podrá habérselas con la evoluciónde las neuronas, con la muerte neuronal e incluso conla degradación de la capacidad de grabación de loselectrodos.

Realimentacióndelossentidos

Belle demostró que una ICM funciona con un ce-rebro de primate. ¿Nos sería posible adaptar la

interfaz a cerebros más complejos? En mayo de 2001comenzamos en la Universidad Duke estudios con tresmacacos, cuyo cerebro contiene profundos surcos ycircunvoluciones que se parecen a los del cerebro hu-mano.

Nos servimos entonces de la misma ICM que uti-lizó Belle, con una adición fundamental: los monoscontaban ahora con una realimentación visual, que lespermitía juzgar por sí mismos en qué medida lograbala ICM remedar el movimiento de sus manos. Los ma-cacos movían en direcciones arbitrarias un mando;desplazaban así el cursor por la pantalla de un orde-nador. De pronto, en algún lugar de la pantalla apa-recía una diana redonda. Para merecer un sorbo dezumo de fruta, el mono tenía que situar rápidamente-en menos de medio segundo- el cursor dentro dela diana.

El primer macaco que llegó a dominar esta tarea fueAurora, una hembra elegante que gustaba de exhibirla destreza que le hacía acertar con la diana más del90 por ciento de las veces. Nuestros asociados pos-doctorales Roy Crist y José Carmena registraron la ac-tividad de 92 neuronas en cinco áreas parietales yfrontales de la corteza de Aurora.

Una vez hubo adquirido maestría en el juego, lehicimos una jugarreta. En alrededor del 30 por cientode los ensayos desactivamos la conexión entre el mandoy el cursor. Para trasladar el cursor al interior de ladiana, tenía que basarse exclusivamente en su acti-vidad cerebral, procesada por nuestra ICM. Descon-certada al principio, fue modificando poco a poco suestrategia. Aunque seguía realizando movimientos conlas manos, al cabo de algunos días había aprendidoque podía mover el cursor el cien por cien de las ve-ces sólo con el pensamiento. En las semanas siguien-

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Prevención'deataquesepilépticos

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Panmos hcon Alempomiendcamosmate:ICM. ,robóti,nable

EXPERIMENTOSRECIENTESllevan a pensar que las inter-faces cerebro-máquina (ICM) podrían ayudar a evitarlos ataques cerebrales de quienes padecen de epilep-sia crónica severa, mal que les hace sufrir docenas decrisis al día. Esta enfermedad arruina la vida del

enfermo y en ocasiones provoca lesiones cerebralespermanentes. Para agravar las cosas, estos pacientessuelen dejar de responder a los tratamientos tradiciona-les con fármacos.

Una ICM para el control de tales crisis funcionaría demodo hasta cierto punto parecido al de un marcapasos.Se encargaría de vigilar continuamente la actividadeléctrica cerebral, en busca de patrones que indicasen

la inminencia de un

ataque. Cuando laICM detectase uno de

estos patrones, sumi-nistraría un impulsoeléctrico, bien al cere-bro, bien a un nervioperiférico, que apaci-guase la tormenta enformación o provoca-ra la liberación de unmedicamento antie-piléptico.

Hemos demostradoen Duke la viabilidadde esta idea en cola-boración con Erika E.Fanselow, actualmen-te en la Universidad

Brown, y AshlanP. Reid, de la Univer-sidad de Pennsylva-nia. Implantamos una

ICM con haces de microhílos en ratas a las que sehabía administrado PTZ, fármaco que induce una epi-lepsia leve y repetitiva. Al principio de una crisis, lasneuronas corticales emiten señales conjuntamente, enoleadas muy sincrónicas. Cuando el "marca pasos" ce-rebral detectaba este patrón, desencadenaba la esti-mulación eléctrica del nervio trigémino craneal. Estebreve estímulo perturbaba rápida y eficazmente la acti-vidad epiléptica, sin lesionar el nervio, y reducía la fre-cuencia y duración de los ataques.

TOMOGRAFIADELCEREBRO,ob-tenida por emisiónde positrones,durante un ataqueepiléptico. Lasregionesde excesivaactividadcerebralestán coloreadasen ama.rillo.

tes, en unos cuantos en,sayos de cada día no se mo-lestó siquiera en mover la mano; para desplazarelcursor, le bastaba pensar la trayectoria que habríadeseguir.

Pero eso no fue todo. Dado que Aurora podíaverlo que hacía en la pantalla, la ICM lograba prediccionescada vez más acertadas, incluso aunque registraselasmismas neuronas. Si bien es necesario un análisismu-cho más completo para comprender este resultado,laexplicación quizá sea que la realimentación visualcontribuyó a que Aurora maximizara la reaccióndelaICM, tanto en el aprendizaje de su cerebro comoen

INVESTIGACIÓN y CIENCIA, diciembre, 2001 INVESTl

el de la máquina. En caso de que esto fuera cierto, larealimentación sensorial, bien visual, bien de otrotipo, podría servirle a un ser humano para elevar elrendimiento de sus propias ICM.

Observamos otro resultado alentador. Ha transcurri-do, en el momento de escribir estas páginas, más deunaño desde que implantamos los microelectrodos enelcerebro de Aurora, y continuamos todavía registrandodiariamente entre 60 y 70 neuronas. Tan prolongadoéxito indica que, incluso en un primate dotado de un,cerebro con circunvoluciones, nuestros haces de mi-Icrohílosproporcionan señales multicanal, de alta cali-¡dady larga duración. Aunque la muestra se ha redu-Icidodesde las 92 neuronas primitivas, el rendimientodeAurora con la ICM sigue siendo el más alto quehayalogrado.

Nos proponemos plantearle a Aurora tareas másdifíciles. En mayo pasado empezamos a modificar laI[CM a fin de proporcionar a la mona realimentaciónItáctilen nuevos experimentos, que ya hemos iniciado.ILaICMcontrolará un brazo robótico cercano, provistoIdepinzas que simulan una mano capaz de asir. Sen-Isoresde fuerza indicarán en qué momento encuentran:Iaspinzas un objeto y cuánta fuerza es necesaria paralasido.Se aportará la realimentación táctil -¿es el ob-Ijetopesado o liviano, resbaladizo o pegajoso?- me-dianteun parche implantado en la piel del animal yIProvistode unos diminutos vibradores. Las variacio-¡nesen la frecuencia de vibración deberían ayudar aIqueAurora determinase cuánta fuerza debe aplicar el¡brazorobótico para, pongamos por caso, recoger una

I

Piezade fruta y sostenerla mientras se la acerca a laboca.Este experimentoproporcionará,quizá, la pruebaImásconcreta hasta el momento de que una persona

!quepadeceuna grave parálisispodríarecuperar los mo-vimientosbásicos del brazo gracias a un implante enlelcerebro que se comunicase, mediante hilos o pormediosinalámbricos, con generadores de señal inser-Itosen la extremidad.

Si las sensaciones visuales y táctiles consiguen re-Imedarla información que fluye entre el cerebro y elIbrazode Aurora, cabrá dentro de lo posible que lalinteracciónprolongada con una ICM llegue a esti-¡mularal cerebro de forma que incorpore el brazo robó-lricoa la representación mental del cuerpo -esquema~uese sabe existe en la mayoría de las regiones ce-~ebrales-. Con otras palabras: el cerebro de Aurora¡podríarepresentarse el dispositivo artificial como si~erauna parte más de su cuerpo. El tejido nervioso~elcerebro podría incluso dedicarse a manejar el brazo

0- tobóticoy a interpretar la realimentación que pro-el ~rcione.de Paraverificar la solidez de esta hipótesis, proyecta-

!¡nosla ejecuciónde experimentoscomo los realizadosTer onAurora, con la salvedad de que se anestesiaráles temporalmenteuno de los brazos del animal, supri-las miendocon ello la realimentación natural. Pronosti-}U- tamosque, al cabo de un período de transición, el pri-la mateserá capaz de interactuar sin dificultad con la

Jal CM.Si el cerebro llega realmente a integrar el brazola bóticoen sus representaciones somáticas, es razo-en blesuponer que otro tanto haría el cerebro de un

parapléjico: reasignaría neuronas, que en un tiemposirvieron a un miembro natural, al control y gobiernode uno artificial.

Cada progreso pone de manifiesto cuán plástico esel cerebro. Pero ha de haber límites. Es improbable,por ejemplo, que la víctima de un accidente cerebro-vascular consiga el control completo de un miembrorobótico. Las lesiones que causan suelen ser extensase implican a tan gran porción de la materia blanca-las fibras que permiten la comunicación entre lasregiones cerebrales-, que la destrucción supera la plas-ticidad del cerebro. Tal es el motivo de que las vícti-mas de accidentes cerebrovasculares que pierden el con-trol de miembros no lesionados rara vez lleguen arecuperarlo.

I '

Comprobaciónde realidad

Apesar de las buenas noticias, los investigadoreshemos de ser muy prudentes y no ofrecer falsas

esperanzas a quienes padecen discapacidades severas.Es necesario superar todavía muchos obstáculos antesde que se pueda considerar a las ICM opciones segu-ras, eficaces terapéuticamente. Hemos de demostrar conensayos clínicos que ICM concretas ofrecerían un bie-nestar mayor sin plantear un riesgo de lesiones neu-rológicas adicionales.

La implantación quirúrgica de electrodos será siem-pre causa de preocupación médica. Habrá que evaluarsi los haces densos de microhílos proporcionan regis-tros viables y no causan a los pacientes lesiones tisu-lares o infecciones. El progreso hacia los haces den-sos ya se encuentra en marcha. Un técnico electrónicode Duke, Gary Lehew, ha diseñado formas de aumen-tar notablemente el número de microhílos montadosen un haz ligero y fácil de implantar. Nos es posibleahora insertar múltiples haces, cada uno de los cualeslleva hasta 160 microhílos y mide 5 por 8 milímetros,menos que la uña del meñique. Hemos implantado re-cientemente 704 microhílos en ocho regiones corticalesde un macaco; registramos 318 neuronas a la vez.

Por otra parte, tendrá que producirse una conside-rable miniaturización de la electrónica y de las ba-terías. Estamos ahora colaborando con José CarlosPríncipe, de la Universidad de Florida, a fin de crearmicrochips implantables que materializarán en dispo-sitivos físicos el reconocimiento de pautas neuronales(tarea que hasta ahora se efectúa mediante progra-mas); la interfaz cerebro-máquina podría librarse asídel ordenador. Estos microchips enviarían datos porvía inalámbrica a los componentes robóticos. En co-laboración con el laboratorio de Patrick D. Wolf, dela Universidad Duke, hemós construido el primer"neurochip" inalámbrico y probado una versión "beta"-la previa a la definitiva- con Aurora. Ver en unordenador portátil, a muchos metros de distancia deAurora, sus flujos de actividad neuronal -el primerradioenlace entre el cerebro de un primate y un or-denador-, fue una auténtica delicia.

Cada vez son más los científicos que abrazan la opi-nión de que las ICM ayudarían a los discapacitados.Varios laboratorios neurológicos tradicionales empe-

TIGACIÓNy CIENCIA, diciembre, 2002 13

ha publicado sobre el tema, entreotros, los siguientes artículos:

El super ordenador Beowulf,de W. W. HargroveF. M. Hoffmany T. SterlingOctubre 200 I

Células cibernéticas,de W. Wayt GibbsOctubre 200 I

Alerta roja en la Red,de Carolyn MeinelDiciembre 200 I

Los orígenesde la informática personal,de M. MitchellWaldropMarzo 2002

Microchips en vertical,de Thomas H. LeeMarzo 2002

Una nueva forma de visión:la realidad complementada,de Steven K. FeinerJunio2002

Emisores inalámbricosde datos,de David G. LeeperJulio2002

Ordenadores sin reloj,de Ivan E.Sutherlany Jo EbergenOctubre 2002

CP

Prensa Científica, S.A.

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zaron a lo largo del pasado año ainteresarse por los dispositivos neu-roprotésicos. Han sido publicadoshace poco los resultados prelimi-nares de la Universidad estatal deArizona, de la Universidad Browny del Instituto de Tecnología deCalifornia. Algunos estudios pro-porcionan confirmación indepen-diente de los que realizamos noso-tros con ratas y monos. En la estatalde Arizona reprodujeron, en esen-cia, nuestro procedimiento tridi-mensional con los monos noctur-nos y demostraron que vale tambiénpara los rhesus. Los científicos dela Brown lograron que un macacorhesus desplazara un cursor por lapantalla de un ordenador. Ambosgrupos registraron entre 10 Y20 neu-ronas por animal. Sus éxitos de-muestran que esta nueva especiali-dad va progresando a buen ritmo.

Las interfaces cerebro-máquinamás útiles sacarán partido de cen-tenares o unos pocos millares deneuronas individuales distribuidaspor múltiples regiones motoras delos lóbulos frontal y parietal. Lasque sólo registren un pequeño nú-mero de neuronas (unas 30, ponga-mos por caso) de una única regióncortical no proporcionarán servicioclínico alguno, porque carecen dela redundancia requerida para adap-tarse a la pérdida de neuronas o alas variaciones en la respuesta neu-ronal. El otro extremo, el registrode millares de neuronas por mediode electrodos grandes, seguramentetampoco valdrá, por demasiado in-vasivo.

Es probable que los métodos noinvasivos, aunque prometedores paraciertos fines, resulten de limitadaaplicación cuando se trate de con-trolar prótesis mediante el pensa-miento. La EEG (electroencefalo-grafía), que efectúa registros en elcuero cabelludo, es una técnica noinvasiva que podría servir para go-bernar un tipo distinto de interfazmáquina-cerebro. Niels Birbaumer,de la Universidad de Tubinga, enAlemania, ha utilizado con éxitoregistros electroencefalográficos yuna interfaz computarizada para en-señar a pacientes paralizados pordolencias neurológicas severas a mo-dular su actividad EEG; se quiereque escojan de esa forma letras enla pantalla de un ordenador y es-

criban mensajes con ellas. El pro.ceso es muy lento, pero ofrecelaúnica manera de que estas personasse comuniquen con el mundo. Lasprótesis de las extremidades, esosí, no pueden utilizar directamentelas señales EEG porque éstas re.presentan la actividad eléctrica me.dia de una amplia población deneu.ronas; es difícil extraer de ellas lasvariaciones finas necesarias paraco.dificar el movimiento preciso delbrazo y la mano.

A pesar de los obstáculos quesub.sisten, son muchas las razones parael optimismo. Quizá haya de trans.currir un decenio antes de que po.damos presenciar el funcionamientode la primera neuroprótesis huma.na; pero aquella tarde, en Durham,mientras veíamos en un monitor la

actividad cerebral de Belle, pudi.mos soñar con las asombrosas po.sibilidades. Recordaremos siempreel sobrecogimiento que sentimoscuando contemplamos los procesoscon los que un cerebro de primategenera un pensamiento. El de Be.lle mientras anhelaba una dosis dezumo, aunque sencillo, era un autén.tico pensamiento, y obligó al mundoexterior a satisfacer ese deseo tanreal.

Bibliografía Gomplementaria

REAL-TIME CONTROL OF A ROBOT ARM

USING SIMULTANEOUSLY RECORDED

NEURONS IN THE MOTOR CORTEX.

J. K. .Chapin, K. A. Moxon,R. S.Markowitz y M. A. L. Nicolelis enNa.ture Neurosciences, vol. 2, páginas664-670; julio de 1999.

REAL-TIMEPREDICTIONOF HANDTRA.JECTORY BY ENSEMBLES OF CORTICAL

NEURONSIN PRIMATES.J. Wessberg,C. R. Stambaugh, J. D. Kralik, P. D.Beck, J. K. Chapin, J. Kim, M.ASrinivasan y M. A. L. Nicolelis, enNature, vol. 408, páginas 361-365;16 de noviembre de 2000.

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ADVANCES IN NEURAL POPULATION

CODING. Selección de M.A.L. Ni.colelis. Progress in Brain Research,vol. 130, Elsevier, 2001.

NEURAL PROSTHESES FOR RESTORATION

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Selección de J. K. Chapin y K.A.Moxon. CRC Press, 2001.

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, diciembre,2