miur año, más de un millón de personas en América del Norte sufren algún tipo de lesión de la médula espinal (SCI), con un costo anual de más de $7 mil millones para tratar y rehabilitar a esos pacientes. La comunidad médica ha logrado avances increíbles para mitigar, si no revertir, los efectos de la parálisis en el último cuarto de siglo, incluidos los avances en farmacología, tecnologías de células madre, neuromodulación y prótesis externas. La estimulación eléctrica de la médula espinal ya ha mostrado resultados especialmente prometedores para ayudar a los pacientes con lesiones en la columna a rehabilitarse, mejorando no solo la función de las extremidades, sino también el control de la espasticidad, la vejiga y la presión arterial. Ahora, en un estudio publicado en Naturaleza El martes, la startup de terapia para SCI, Onward Medical, anunció que ayudó a mejorar la forma de caminar de un hombre que había sido parapléjico mediante el uso de una interfaz cerebro-computadora (BCI) implantada y un novedoso «puente digital» que cruza el espacio donde se cortó la columna.
Hemos estado descargando la columna vertebral de pacientes parapléjicos con descargas de bajo voltaje como parte de su rehabilitación física durante años en un proceso conocido como Estimulación Eléctrica Funcional (FES). Los electrodos se colocan directamente sobre los nervios que están destinados a incitar, sin pasar por alto externamente sus propias vías neuronales interrumpidas, y, cuando se activan, hacen que los nervios debajo se disparen y sus músculos se contraigan. Los investigadores han utilizado este método para restaurar el movimiento de manos y brazos en algunos pacientes, la capacidad de pararse y caminar en otros y, para unos pocos afortunados, ¡exotrajes! Sin embargo, los movimientos resultantes de las extremidades fueron decididamente poco elegantes, lo que resultó en movimientos pesados del brazo y andares que se parecían más a arrastrar los pies.
La investigación anterior de Onward sobre la estimulación eléctrica epidural mostró que era eficaz para atacar los nervios de la parte inferior de la espalda que podrían usarse para activar los músculos de las piernas. Pero la terapia en ese momento se vio obstaculizada por la necesidad de sensores de movimiento portátiles y por «los participantes… capacidad limitada para adaptar los movimientos de las piernas al terreno cambiante y las demandas voluntarias». Onward abordó ese problema en el estudio del martes al incorporar un «puente digital ” para monitorear los impulsos de comando del cerebro y enviarlos, de forma inalámbrica y en tiempo real, a un paquete de estimulación implantado en la parte baja de la espalda del paciente.
Los médicos han empleado estos sistemas durante la mayor parte de una década para ayudar a mejorar el control y la función de las extremidades superiores después de una LME; el propio sistema ARC EX de Onward está diseñado para hacer precisamente eso, aunque este estudio fue el primero en aplicar las mismas teorías a las extremidades inferiores. extremidades
El paciente de Onward era un hombre de 38 años que había sufrido una «lesión cervical incompleta (C5/C6) de la médula espinal» una década antes y que se había sometido a un programa de neurorrehabilitación de cinco meses con «estimulación eléctrica epidural dirigida de la médula espinal». en 2017. “Este programa le permitió recuperar la capacidad de caminar con la ayuda de un andador con ruedas delanteras”, señaló el equipo de investigación en el Naturaleza estudiar. “A pesar del uso continuo de la estimulación en el hogar, durante aproximadamente tres años, había alcanzado una meseta de recuperación neurológica”.
Además del EX, Onward Medical también ha desarrollado una terapia de electroestimulación montada internamente, el ARC IM. Según la compañía, está «diseñado específicamente para colocarse a lo largo de la médula espinal para estimular las raíces dorsales», para ayudar a mejorar la regulación de la presión arterial de los pacientes con SCI. El sistema utilizado en el estudio del martes usó ARC IM como base y lo combinó con una interfaz de computadora cerebral WIMAGINE.
Adelante Médico
El equipo de Onward primero tuvo que instalar el BCI dentro del cráneo del paciente. Técnicamente, se trataba de un par de implantes de electrodos de 64 derivaciones, cada uno montado en una caja de titanio de forma circular de 50 milímetros que se asienta al ras del cráneo. El WIMAGINE “es menos invasivo que otras opciones y ofrece suficiente resolución para conducir caminando”, dijo Dave Marver, CEO de OnwardMedical, a Engadget por correo electrónico. “También tiene datos de cinco años que demuestran estabilidad en la claridad de las señales producidas”.
Dos antenas externas se ubican en el cuero cabelludo, la primera proporciona energía a los implantes a través del acoplamiento inductivo, la segunda desvía la señal a una estación base portátil para su decodificación y procesamiento. La señal procesada luego se transmite de forma inalámbrica al generador de pulso implantable ACTIVA RC que se encuentra sobre la región lumbar del paciente, donde 16 electrodos más implantados descargan los grupos de nervios apropiados para mover sus piernas. Juntos forman un sistema Brain Spine Interface (BSI), según Onward.
Toda la configuración está diseñada para que el paciente la utilice de forma independiente. El andador de asistencia alberga todas las partes y piezas de BSI, mientras que una interfaz de retroalimentación táctil les ayuda a colocar correctamente el auricular y calibrar el algoritmo predictivo.
Para lograr que el BCI y el generador de pulsos funcionen juntos sin problemas, Onward aprovechó un «algoritmo multilineal de conmutación Aksenova/Markov que vinculaba las señales ECoG con el control de los parámetros de estimulación eléctrica epidural», lo que parece tan obvio en retrospectiva. Básicamente, este algoritmo predice dos cosas: la probabilidad de que el paciente tenga la intención de mover una articulación específica en función de las señales que está monitoreando, y tanto la amplitud como la dirección de ese presunto movimiento previsto. Esas predicciones luego se descargan en un controlador analógico que las traduce en comandos de código que, a su vez, se envían al generador de pulsos cada 300 milisegundos. En total, la latencia entre el pensamiento del paciente: «Debería caminar hasta allí» y el sistema que decodifica esos pensamientos es de solo 1,1 segundos.
La calibración del sistema para el paciente resultó ser un proceso igualmente rápido. El paciente había descubierto cómo «activar» correctamente los músculos de la cadera para generar suficiente torsión para balancear las piernas en los primeros dos minutos de intentarlo, y lo hizo con un 97 por ciento de precisión. En el transcurso de la rehabilitación, el paciente logró controlar los movimientos de cada articulación de la pierna (cadera, rodilla y tobillo) con una precisión promedio (en que el BSI hizo lo que el paciente pretendía) de alrededor del 75 por ciento.
«Después de solo 5 minutos de calibración, el BSI apoyó el control continuo sobre la actividad de los músculos flexores de la cadera», continuó el equipo, «lo que permitió al participante lograr un aumento de cinco veces en la actividad muscular en comparación con los intentos sin el BSI». Desafortunadamente, esas ganancias fueron borrados tan pronto como se apagó el BCI, perdiendo instantáneamente la capacidad de caminar, explicaron. “Se reanudó la marcha tan pronto como se volvió a encender el BSI”.
No fue solo que el paciente pudo pasar de caminar con un andador de ruedas delanteras a muletas gracias a este procedimiento, sino que también mejoró significativamente su modo de caminar. «En comparación con la estimulación sola, el BSI permitió caminar con características de marcha que estaban notablemente más cerca de las cuantificadas en individuos sanos», escribió el equipo de Onward. El paciente incluso pudo usar el sistema para cruzar terreno sin pavimentar con sus muletas, una hazaña que todavía resulta peligrosa para muchos robots bípedos.
En total, el paciente se sometió a 40 sesiones de rehabilitación con BCI, una combinación de rehabilitación física estándar junto con ejercicios de equilibrio, caminata y movimiento habilitados por BCI. El paciente vio ganancias moderadas en sus puntajes sensoriales (toque ligero), pero un enorme aumento de 10 puntos en sus puntajes WISCI II. WISCI II es el índice de caminata para lesiones de la médula espinal, una escala de 21 puntos que mide la capacidad ambulatoria de un paciente que va desde 20, «puede moverse sin asistencia», hasta 0, «encamado». El paciente de Onward pasó de 6 a 16 con la ayuda de esta terapia.
“Dado que el participante había alcanzado previamente una meseta de recuperación después de una rehabilitación intensiva utilizando solo la estimulación de la médula espinal, es razonable suponer que la BSI desencadenó una reorganización de las vías neuronales que fue responsable de la recuperación neurológica adicional”, escribió el equipo de Onward. “Estos resultados sugieren que establecer un vínculo continuo entre el cerebro y la médula espinal promueve la reorganización de las vías neuronales residuales que unen estas dos regiones en condiciones fisiológicas normales”.
Si bien los resultados son prometedores, aún queda mucho trabajo por hacer. El equipo de Onward argumenta que las iteraciones futuras requerirán «miniaturización de la estación base, la unidad informática y antenas imperceptibles», rendimientos de datos más rápidos, «parámetros de estimulación versátiles, control inalámbrico directo desde la unidad informática portátil» y «circuito integrado único de baja potencia». incorporando un procesador neuromórfico con capacidad de autocalibración que traduce de forma autónoma la actividad cortical en actualizaciones de los programas de estimulación”.
A pesar de los abrumadores desafíos técnicos, «el sistema BCI descrito en el martes Naturaleza publicación puede llegar al mercado en cinco a siete años”, pronosticó Marver. «Es posible y realista que una terapia de estimulación de la médula espinal aumentada con BCI esté en el mercado a finales de la década».
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