El decodificador cerebral controla la estimulación de la médula espinal

En un desarrollo significativo para el tratamiento de lesiones de la médula espinal, los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis han creado un decodificador neural que une la brecha de comunicación entre el cerebro y la columna vertebral, lo que puede abrir nuevas vías para la rehabilitación.

El equipo de investigación, dirigido por Ismael Seáñez, profesor asistente de ingeniería biomédica en Washu, demostró que la actividad cerebral puede interpretarse y usarse para proporcionar una estimulación eléctrica cronometrada con precisión a la médula espinal. Sus hallazgos, publicado el 25 de abril en el Revista de neuroeningeniería y rehabilitaciónrepresentan un paso crítico hacia las tecnologías de rehabilitación no invasivas para personas con parálisis.

“Después de darle al decodificador estos datos, aprende a predecir en función de la actividad neuronal cada vez que hay movimiento o ningún movimiento”, dijo Seáñez. “Mostramos que podemos predecir cada vez que alguien está pensando en mover su pierna, incluso si su pierna realmente no se mueve”.

Cuando alguien sufre una lesión de la médula espinal, la vía de comunicación normal entre el cerebro y los músculos se interrumpe, lo que resulta en parálisis a pesar del cerebro y los circuitos espinales más bajos que permanecen funcionales. Este nuevo enfoque tiene como objetivo volver a conectar estos sistemas utilizando tecnología externa.

El estudio reclutó a 17 participantes con cuerpo sano que llevaban tapas de EEG especializadas (electroencefalografía) equipadas con electrodos para medir la actividad cerebral. Se pidió a los participantes que realizaran extensiones de rodilla mientras estaban sentados, y también que simplemente imaginaran el mismo movimiento sin moverse. Estos datos permitieron a los investigadores capacitar a un algoritmo para reconocer las intenciones de movimiento del cerebro.

Lo que hace que este enfoque sea particularmente prometedor es su naturaleza completamente no invasiva. A diferencia de otras interfaces de la columna cerebral que requieren la implantación quirúrgica de los electrodos, este sistema utiliza tapas EEG externos y estimulación transcutánea de la médula espinal: pulsos eléctricos administrados a través de la piel.

Durante las pruebas, el sistema logró una impresionante precisión del 83% en la predicción de la intención de movimiento solo de las señales cerebrales. Quizás más notablemente, el decodificador podría identificar con éxito cuándo los participantes simplemente imaginaban el movimiento de las piernas con una precisión del 77%, lo que sugiere que el sistema podría funcionar para las personas con parálisis completa.

Las implicaciones comerciales podrían ser sustanciales. Los enfoques de rehabilitación actuales para la lesión de la médula espinal generalmente alcanzan una meseta después de unos seis meses. Las tecnologías que restablecen la comunicación entre los circuitos cerebrales y espinales podrían potencialmente extender los beneficios terapéuticos más allá de esta limitación convencional.

Para los inversores que observan el espacio de Neurotech, esto representa un punto de inflexión potencial. Las interfaces de computadora cerebrales han atraído un capital de riesgo significativo en los últimos años, principalmente centrados en tecnologías invasivas que requieren cirugía. Una alternativa no invasiva que demuestra la eficacia clínica podría expandir drásticamente la accesibilidad del mercado.

La tecnología funciona detectando cambios característicos en los patrones de onda cerebral llamados “desincronización relacionada con el evento” que ocurren en bandas de frecuencia específicas cuando alguien tiene la intención de moverse. Luego, el sistema usa estos patrones para desencadenar la estimulación espinal con precisión cuando se pretende el movimiento.

“Uno, que es más probable que estemos decodificando la intención del movimiento y no un artefacto, o ruido, y segundo, cada vez que empleamos esto en personas con lesiones de la médula espinal que no tendrán esa capacidad de mover sus piernas para que nosotros etiquetemos los datos, podríamos usar su imaginación de mover una pierna para entrenar a nuestra decodificador”, explicó Seáñez.

Desde una perspectiva técnica, el sistema es relativamente sencillo en comparación con otras interfaces neuronales. Emplea un algoritmo de análisis discriminante lineal (LDA), una técnica de aprendizaje automático bien establecida que ofrece interpretabilidad y eficiencia sin requerir recursos computacionales masivos.

Mientras aún están en desarrollo temprano, los investigadores ya están buscando aplicaciones clínicas. Planean probar si un decodificador generalizado capacitado en datos de múltiples participantes podría funcionar tan bien como personalizados, lo que potencialmente simplifica la implementación en entornos clínicos.

El mercado de tecnologías de rehabilitación de lesiones de la médula espinal permanece desatendida, con aproximadamente 18,000 casos nuevos que ocurren anualmente solo en los Estados Unidos. Los costos actuales de rehabilitación pueden exceder los $ 500,000 en el primer año después de la lesión, creando fuertes incentivos económicos para tratamientos más efectivos.

Para los encargados de formular políticas, esta investigación destaca el creciente potencial de las neurotecnologías no invasivas para abordar desafíos médicos significativos sin los riesgos y los costos asociados con las intervenciones quirúrgicas. A medida que estas tecnologías maduran, los marcos regulatorios pueden necesitar una actualización para tener en cuenta los dispositivos médicos controlados por el cerebro que no requieren implantación física.

Si bien es prometedor, quedan varios desafíos antes del despliegue clínico. El sistema actualmente funciona mejor con movimientos cronometrados con precisión en lugar de naturales y autoiniciados. Los investigadores encontraron diferencias significativas en los patrones de actividad cerebral entre los movimientos con señales y no acudidos, lo que sugiere que será necesario un refinamiento adicional para las aplicaciones del mundo real.

La investigación fue financiada por el Centro McDonnell para Neurociencia de Sistemas en la Universidad de Washington en St. Louis, los Institutos Nacionales de Salud y departamentos de la Universidad de Washington.

A medida que las tecnologías de la interfaz neural continúan avanzando, este enfoque no invasivo podría representar una alternativa más accesible a las soluciones quirúrgicas, lo que puede acelerar la innovación de rehabilitación al tiempo que reduce el riesgo de los pacientes. La pregunta ahora es la rapidez con que esta tecnología puede pasar de la demostración de laboratorio a la aplicación clínica, y si puede cambiar fundamentalmente las trayectorias de recuperación para quienes viven con lesiones en la médula espinal.