La Nueva Generación de Brazos Biónicos

A los 29 años de edad, el bombero canadiense Rob Anderson perdió su brazo izquierdo y su pierna izquierda en un aterrador accidente de helicóptero en la ladera de una montaña. Aunque contaba con una prótesis de alta gama durante los últimos 10 años se qujaba de que usarla era como «hacer cosas con un par de pinzas largas».

Parte del problema es que simplemente no se siente conectado a su mano protésica. «Hay una desconexión entre lo que estás tocando físicamente y lo que tu cuerpo está haciendo», explicó.

Así que cuando los investigadores de la Universidad de Alberta le ofrecieron una plaza en un nuevo ensayo de prótesis aprovechó la oportunidad.

El resultado, publicado este año en Science Translational Medicine, es un brazo biónico sorprendentemente diferente a cualquier cosa que se haya visto antes. Una vez instalado, el brazo utiliza vibraciones y una ilusión sensorial para dar a los usuarios un sentido natural de su apéndice robótico moviéndose a través del espacio. Incluso con los ojos vendados y el uso de audífonos con cancelación de ruido, Anderson sabía de forma intuitiva qué estaba haciendo su brazo robótico.

«Fue un poco surrealista», dijo.

El sexto sentido

No se puede argumentar que las prótesis hayan recorrido un largo camino. Controlar una extremidad robótica con tus ondas cerebrales era imposible hace apenas una década; Ahora parece rutina. Más que nunca, los científicos están comprimiendo conjuntos cada vez más densos de motores y sensores en las extremidades de reemplazo.

El resultado son sofisticados apéndices biónicos capaces de movimientos finos y diestros. Algunos incluso pueden enviar sensaciones de tacto a su portador, cerrando el ciclo que va de la acción a la sensación.

Pero hay un problema: sin una visión directa, el usuario no tiene ninguna idea de lo que está tramando su brazo biónico. No saben dónde está el brazo en el espacio, cómo de rápido se está moviendo o hacia dónde se dirige.

Esta sensación intuitiva de posicionamiento del cuerpo, llamada cinestesia, ha sido difícil de construir en las prótesis. No es táctil: la cinestesia utiliza la retroalimentación de las articulaciones y los músculos para calcular dónde están tus extremidades, incluso sin feedback táctil directo.

Sin embargo, al igual que el tacto, la cinestesia es esencial para el control correcto: este es el sentido que te permite meter un puñado de palomitas de maíz en la boca mientras mantienes tus ojos en la pantalla del cine. Está detrás de acciones aparentemente mundanas, como rascarse la espalda o coger una pelota. No puedes realizar múltiples tareas sin él.

«Alguien con una mano biónica, ya que no puede sentir el movimiento de su dispositivo, esencialmente tiene que compensar eso con la vista», dijo el autor principal, el Dr. Paul Marasco en la Clínica Cleveland, quien colaboró ​​con la Universidad de Alberta y la Universidad de New Brunswick. Esto mata cualquier sentido de propiedad del brazo.

Buenas vibraciones

El nuevo dispositivo restaura la cinestesia con un ataque al cuerpo realmente inteligente.

Cuando vibra un tendón a 70 a 115 Hz, se nota como si la articulación asociada se estuviera moviendo. La ilusión es lo suficientemente fuerte como para que la persona piense que sus extremidades se contraen en posiciones imposibles o que su nariz está creciendo como la de Pinocho . Al vibrar múltiples tendones, los científicos pueden inducir la sensación de movimientos complejos de brazos en el espacio sin que nada se mueva físicamente.

Los científicos han sabido acerca de este fenómeno, conocido como la ilusión cinestésica inducida por vibración, desde la década de 1970, pero nadie lo había probado antes con personas con amputaciones.

Los voluntarios en este estudio se habían sometido previamente a una cirugía para volver a cablear los nervios restantes de sus cuerpos superiores a otros músculos. Por ejemplo, el nervio que normalmente controla el codo está conectado a los músculos del pecho. Cuando el paciente piensa en mover el codo, el nervio envía la orden al músculo del pecho. Esta actividad es captada por un sensor que, a su vez, le indica al codo del brazo protésico que se mueva en consecuencia.

El equipo primero hizo vibrar los tendones del tórax, bíceps y tríceps de los voluntarios, donde los nervios restantes se desviaron, y les pidió que imitaran los movimientos percibidos en sus manos restantes.

Increíblemente, diferentes paradigmas de vibración se mapearon en una biblioteca de movimientos de mano complejos. Por ejemplo, la estimulación de los bíceps en la mayoría de los pacientes generó el «agarre cilíndrico», en el que la mano está ligeramente apretada como si se envolviera alrededor de un tubo. Otros movimientos incluyeron el pulgar y el índice, un «pellizco fino», o los dedos pulgar, medio e índice, «pellizco de trípode».

En total, el equipo identificó 22 movimientos de mano diferentes.

“Pensamos que si funcionaba como lo hacía en una persona sin discapacidad, sólo tendríamos una o dos articulaciones; obtendríamos una muñeca, algo básico «, dijo Marasco. «Seríamos derrotados».

Una interfaz cinestésica

El siguiente paso fue poner esta documentación en uso. El equipo desarrolló una interfaz neural con dos líneas de comunicación. Cuando el paciente piensa en mover el brazo biónico, la señal se toma del músculo re-inervado para controlar la prótesis. Al mismo tiempo, también activa un pequeño pero poderoso motor para hacer vibrar el músculo, generando la ilusión kinestética.

La mejora fue evidente en minutos. Usando un software de simulación por computadora, los voluntarios pudieron cerrar fácilmente sus manos protésicas virtuales un cuarto, la mitad o tres cuartos del camino sin mirar la mano. En contraste, con las vibraciones desactivadas, tuvieron un desempeño significativamente peor: los pacientes casi no tenía sentido de la posición de la mano.

La retroalimentación cinestésica fue incluso más poderosa que la visión para el control motriz ajustado. Cuando se les pedía que atrapasen una bola virtual con sus manos virtuales, los reflejos cinestéticos se activaban mucho más rápido que con la retroalimentación visual, lo que permitía a los voluntarios llegar de manera precisa e intuitiva.

Insatisfecho con solo una prueba de concepto, el equipo armó a continuación una mano protésica física con su motor de vibración. El estándar clínico para un accesorio de mano biónica es un receptáculo de plástico rígido con espacio limitado, explicaron los autores. El espacio era ajustada, pero era posible comprimir todos los componentes.

Los resultados fueron notables. Incluso con las vendas en los ojos y los auriculares con cancelación de ruido para bloquear el mundo, los voluntarios siguieron fácilmente las instrucciones para cerrar la mano biónica en un agarre cilíndrico. Además, no tuvieron problemas para informar del estado de las prótesis, ya sea que estuvieran abiertas o cerradas.

«Un amputado normal se pierde completamente con una venda en los ojos», explicó Marasco, «y ni siquiera puede hacer la prueba».

El último reemplazo

Con el sentido restaurado de la cinestesia vino un sentido de propiedad. Las vibraciones desdibujaron las líneas entre lo que es «uno mismo» y lo que es «máquina» en el cerebro de los pacientes. La mano biónica no sólo se sentía como una mano, se sentía como la suya propia.

«Hice reconocimiento de patrones durante años, entrenándome para operar una mano protésica, y eso fue genial», dijo un participante. «¿Pero esto? Esto va a llevar las cosas a un nivel completamente diferente «.

El Dr. Dustin Tyler, que había trabajado anteriormente en manos protésicas con sentido del tacto, encontró el trabajo fascinante. «Si me hubieras preguntado antes, habría dicho que es poco probable que funcione», dijo el bioingeniero, que trabaja en el Louis Stokes Cleveland Veterans Affairs Medical Center.

Marasco y su equipo ahora están trabajando para extender la técnica a otro tipos de lesiones, como en aquellas en que se perdieron una pierna o para aquellos con problemas de movimiento debido a un derrame cerebral. También está trabajando para integrar el hardware de vibración con los brazos protésicos en un sistema fácil de usar para que los pacientes operen por su cuenta.

El objetivo final es integrar las extremidades biónicas como parte de los pacientes, dijo Marasco. Eso requiere tacto, movimiento, temperatura, cinestesia y muchos otros sentidos implementados simultáneamente en el mismo brazo biónico.

De esta manera, «cuando piensan en mover el brazo, sienten que se está moviendo a través del espacio y cuando agarran algo, sienten ese toque como si fuera el suyo», dijo. «Esa es la siguiente parte de esto, la integración de estas piezas en un todo».