Ocho personas que han pasado años paralizadas por lesiones en la médula espinal han recuperado la sensibilidad parcial y el control muscular en sus miembros inferiores después de entrenar con robótica controlada por el cerebro, según un estudio publicado el 11 de agosto en Informes científicos .
Los pacientes utilizaron interfaces cerebro-máquina, incluido un sistema de realidad virtual que utilizaba su propia actividad cerebral para simular el control total de sus piernas. La investigación, dirigida por el neurocientífico Miguel Nicolelis, MD, Ph.D. de la Universidad de Duke, como partedel Proyecto Walk Again en São Paulo, Brasil, ofrece la promesa de que las personas con lesiones de la médula espinal, derrames cerebrales y otras afecciones recuperen fuerza, movilidad e independencia.
"No podríamos haber predicho este sorprendente resultado clínico cuando comenzamos el proyecto", dijo Nicolelis, codirectora del Centro Duke de Neuroingeniería, quien es originaria de Brasil.
"Lo que mostramos en este artículo es que los pacientes que utilizaron una interfaz cerebro-máquina durante un período prolongado experimentaron mejoras en el comportamiento motor, las sensaciones táctiles y las funciones viscerales por debajo del nivel de la lesión de la médula espinal", dijo.. "Hasta ahora, nadie ha visto la recuperación de estas funciones en un paciente tantos años después de haber sido diagnosticado con parálisis completa".
Varios pacientes vieron cambios después de siete meses de entrenamiento. Después de un año, la sensación y el control muscular de cuatro pacientes cambiaron lo suficiente como para que los médicos mejoraran sus diagnósticos de parálisis completa a parcial.
La mayoría de los pacientes vieron mejoras en el control de la vejiga y la función intestinal, lo que redujo su dependencia de laxantes y catéteres, dijo. Estos cambios reducen el riesgo de infecciones de los pacientes, que son comunes en pacientes con parálisis crónica y son una de las principales causas de muerte,Dijo Nicolelis.
Los sistemas cerebro-máquina establecen una comunicación directa entre el cerebro y las computadoras o, a menudo, prótesis, como extremidades robóticas. Durante casi dos décadas, Nicolelis ha trabajado para construir y perfeccionar sistemas que registran cientos de señales simultáneas de neuronas en el cerebro, extrayendo motoresórdenes de esas señales y traducirlas en movimiento.
Nicolelis y sus colegas creen que con el entrenamiento semanal, los pacientes de rehabilitación reactivaron los nervios de la médula espinal que sobrevivieron al impacto de los choques automovilísticos, las caídas y otros traumas que paralizaron sus extremidades inferiores. Al comienzo de la rehabilitación, cinco participantes habían quedado paralizados enpor lo menos cinco años; dos habían estado paralizados durante más de una década.
Una participante, la "Paciente 1", era una mujer de 32 años que estuvo paralizada durante 13 años en el momento del ensayo y que experimentó quizás los cambios más dramáticos. Al principio del entrenamiento, no podía estar de pie usando aparatos ortopédicos, peroDurante el transcurso del estudio, caminaba con andador, frenillos y la ayuda de un terapeuta. A los 13 meses, pudo mover las piernas voluntariamente mientras su peso corporal estaba sostenido en un arnés, como se aprecia en un video grabado en el Alberto Santos.Dumont Association for Research Support donde se encuentra el laboratorio de neurorrehabilitación.
"Un estudio anterior ha demostrado que un gran porcentaje de pacientes a los que se les diagnostica paraplejía completa aún pueden tener algunos nervios espinales intactos", dijo Nicolelis. "Estos nervios pueden quedarse tranquilos durante muchos años porque no hay señal delcorteza cerebral a los músculos. Con el tiempo, el entrenamiento con la interfaz cerebro-máquina podría haber reavivado estos nervios. Puede que quede una pequeña cantidad de fibras, pero esto puede ser suficiente para transmitir señales desde el área cortical motora del cerebro a lamédula espinal."
Construyendo una base en Duke
Desde la década de 1990, Nicolelis ha investigado cómo las poblaciones de células cerebrales representan información sensorial y motora y cómo generan el comportamiento, incluidos los movimientos de las extremidades superiores e inferiores.
En uno de los primeros experimentos llevados a cabo con su colega neurocientífico John K. Chapin, Ph.D., Nicolelis usó microelectrodos implantados en el cerebro para registrar la actividad cerebral de ratas entrenadas para tirar de una palanca robótica para tomar un sorbo de agua. A través de un cerebrointerfaz de la máquina, las ratas aprendieron a controlar la palanca utilizando solo su actividad cerebral.
"Simplemente producían la actividad cerebral correcta y el brazo robótico llevaría agua a la boca de la rata sin que tuvieran que mover un músculo", dijo Nicolelis. "Con el entrenamiento, los animales dejaron de producir un comportamiento manifiesto y empezaron a depender de la actividad cerebral".
En esfuerzos posteriores, Nicolelis entrenó a monos rhesus para que usaran interfaces cerebro-máquina para controlar extremidades robóticas y, más tarde, los movimientos en 3-D de un avatar: versiones animadas de sí mismos en una pantalla digital. Los animales pronto aprendieron que podían controlarlos movimientos al concebirlos mentalmente; no había necesidad de moverse físicamente.
Los monos rhesus más tarde aprendieron a caminar en una cinta de correr con piernas robóticas controladas por sus cerebros. También aprendieron que podían usar el pensamiento para impulsar una pequeña silla de ruedas eléctrica hacia un cuenco de uvas.
Los experimentos de Duke con ratas y primates sentaron las bases para el trabajo en pacientes humanos, incluido un artículo de 2004 con el neurocirujano de Duke Dennis Turner, MD, que estableció un modelo para registrar la actividad cerebral en pacientes cuando usaban una mano para agarrar una pelotacon fuerza variada.
"Es importante comprender cómo el cerebro codifica el movimiento", dijo Nicolelis. "Descubrimos principios de cómo funciona el cerebro que no hubiéramos descubierto sin entrar en el cerebro".
Aun así, dijo Nicolelis, el objetivo de estos estudios era abrir las puertas para mejores prótesis y dispositivos controlados por el cerebro para los discapacitados graves.
"Nadie esperaba que viéramos lo que hemos encontrado, que es una recuperación neurológica parcial de las funciones sensoriomotoras y viscerales", dijo.
colaboración internacional
El Proyecto Walk Again ha reunido a más de 100 científicos de 25 países, quienes fueron noticia en la Copa del Mundo de 2014 en São Paulo cuando Julian Pinto, un joven parapléjico, que usaba un exoesqueleto robótico controlado por el cerebro, pudo patearun balón de fútbol durante la ceremonia de apertura.
El Proyecto Walk Again también lanzó el estudio de neuro-rehabilitación en São Paulo ese año. Los ocho pacientes pasaban al menos dos horas a la semana usando interfaces cerebro-máquina, o dispositivos controlados a través de sus señales cerebrales. Todos comenzaron el programa aprendiendo cómopara operar su propio avatar, o imagen digital, en un entorno de realidad virtual.
Los pacientes usaban gorras ajustadas forradas con 11 electrodos no invasivos para registrar su actividad cerebral a través de EEG. Inicialmente, cuando se les pidió a los participantes que imaginaran caminando en el entorno virtual, los científicos no observaron las señales esperadas en las áreas asociadas con el motor.control de sus piernas.
"Si dijiste, usa tus manos, hubo modulación de la actividad cerebral", dijo Nicolelis. "Pero el cerebro había borrado casi por completo la representación de sus miembros inferiores".
Después de meses de entrenamiento, los científicos comenzaron a observar la actividad cerebral que esperaban ver cuando los pacientes pensaban en mover las piernas. "Básicamente, el entrenamiento reinsertó la representación de las extremidades inferiores en el cerebro de los pacientes", dijo Nicolelis.
A medida que progresaron, los pacientes pasaron de la realidad virtual a equipos más desafiantes que requerían más control sobre su postura, equilibrio y capacidad para usar sus miembros superiores, incluidos dos dispositivos para caminar disponibles comercialmente que se utilizan en algunos centros de fisioterapia en los EE. UU.: El ZeroGy el Lokomat. Ambos usan arneses para sostener el peso del paciente mientras desarrollan la fuerza y el paso adecuado después de una parálisis debido a una lesión o afecciones neurológicas como un accidente cerebrovascular.
Los pacientes rotaron a través de otros sistemas de entrenamiento que aplicaban robótica, incluido el exoesqueleto que Pinto usó en la Copa del Mundo de 2014.
Durante la mayor parte de su entrenamiento, los participantes también usaron una funda equipada con tecnología táctil llamada retroalimentación háptica para enriquecer la experiencia y entrenar sus cerebros, dijo Nicolelis. Los hápticos usan vibraciones variadas para ofrecer retroalimentación táctil, al igual que los zumbidos o los contragolpes.los jugadores sienten a través de un controlador de mano.
Cada sensación es única. Por eso, cuando el avatar caminaba sobre arena, el paciente sentía una onda de presión diferente en el antebrazo que cuando caminaba sobre césped o asfalto, dijo Nicolelis.
"La retroalimentación táctil está sincronizada y el cerebro del paciente crea la sensación de que están caminando por sí mismos, no con la ayuda de dispositivos", dijo Nicolelis. "Induce la ilusión de que están sintiendo y moviendo las piernas. Nuestra teoría esque al hacer esto, inducimos plasticidad no solo a nivel cortical, sino también a nivel de la médula espinal ".
Próximos pasos
Casi todos los pacientes descritos en el estudio han continuado su rehabilitación, ahora superando los dos años de entrenamiento, dijo Nicolelis. Él y sus colegas planean publicar datos adicionales sobre el progreso continuo de los participantes. También planean crear un nuevo ensayo con pacientesque sufrieron lesiones más recientes de la médula espinal para ver si un tratamiento más rápido puede conducir a resultados más rápidos o mejores.
El equipo también continúa con los esfuerzos para adaptar tecnologías que sean accesibles para pacientes de todo el mundo que no tienen acceso a centros de fisioterapia con el equipo más moderno. Quizás la mejor respuesta son las mangas hápticas, que en comparación son asequibles y algo para el paciente.podría usar en casa, dijo Nicolelis.
Además de Nicolelis, los autores del estudio incluyen a Ana RC Donati; Solaiman Shokur; Edgard Morya; Debora SF Campos; Renan C. Moioli; Claudia M. Gitti; Patricia B. Augusto; Sandra Tripodi; Cristhiane G. Pires; Gislaine A.Pereira; Fabricio L. Brasil; Simone Gallo; Anthony A. Lin; Angelo K. Takigami; Maria A. Aratanha; Sanjay Joshi; Hannes Bleuler; Gordon Cheng; y Alan Rudolph.
Este estudio fue financiado con donaciones de la Agencia Brasileña de Financiamiento de Estudios y Proyectos FINEP 01 · 12 · 0514 · 00, el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil y el Banco Itaú. Los autores enumeran reconocimientos adicionales en el manuscrito. Declararon no tener intereses financieros en competencia relacionados con este trabajo.
videos que acompañan al estudio ilustran su progreso.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Duke . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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