El conocimiento del sistema nervioso, el desarrollo de la teoría de la información y la robótica abren la esperanza de compensar funciones neurales perdidas. Los milagros bíblicos podrían dejar de ser relatos excepcionales. Utilizando neuroprótesis los ciegos volverían a ver, los sordos a oír y los paralíticos a caminar. ¿Que hay de cierto en esto?
Cuando el simio de "2001 odisea del espacio" toma un hueso, lo blande en el aire y lo emplea para atacar otras bestias descubre la capacidad de "extensión" del propio cuerpo, potenciando su capacidad de trabajo al integrarlo con elementos externos. La copia sistemática de dicho gesto y la producción en serie del garrote, dan origen a una de las primeras herramientas. El fuego, la rueda, la forja de metales, el cultivo de plantas y la cría de animales, el manejo de la energía en sus múltiples formas, la transformación química de la materia, y la creación de nuevos seres por manipulación genética, son posibles por el desarrollo de nuevas herramientas. Originan, a su vez, nuevos desafíos. El conocimiento de la naturaleza permite transformarla y esas transformaciones generan nuevos conocimientos.
Desde antaño las herramientas fueron aplicadas para la sustitución y compensación de funciones corporales perdidas. Bastones, lentes y dentaduras postizas son las prótesis más comunes. Es posible predecir un rápido desarrollo de las neuroprótesis en las próximas décadas.
Nuestro sistema nervioso recibe señales visuales, auditivas, táctiles olfativas, y gustativas a través de ojos, oídos y receptores especializados localizados en la piel y las mucosas. Comparando dicha información con la almacenada en nuestra memoria somos capaces de actualizar permanentemente nuestra imagen del mundo. Somos capaces de abstraer, definir perfiles de conducta y juzgar. Somos capaces de planificar nuestros movimientos, organizar el patrón de activación de nuestros músculos y controlar su fuerza de contracción. Somos capaces de regular la secreción de hormonas en el momento y cantidad apropiada. No hay computadora actual que pueda emular al cerebro en la variedad y simultaneidad de tareas. Más importante aún, no se sabe si todas las capacidades mentales pueden ser sustituíbles por máquinas algorítmicas como las actuales. Sin embargo los avances de la electrónica han permitido construir maquinas que pueden realizar algunas tareas en forma mucho más rápida que el sistema nervioso. Para sustituir o compensar una tarea con una neuroprótesis se requiere que dicha tarea sea claramente definida y separada de otras. Conviene además considerar que la solución brindada por el diseño biológico original ha sido pulida por millones de años de evolución. Por razones técnicas, la detección de señales externas y algunos mecanismos simples de control de la actividad muscular parecen ser los objetivos de las neuroprotesis mas probablemente exitosas en un futuro inmediato.
Las protesis cocleares permiten que los sordos vuelvan a oir.
Desde hace varias decadas se trabaja en el desarrollo de sistemas que permitan presentar la informacion visual o auditiva como un patron de estimulos sobre la piel. Se registran los sonidos con un micrófono o las imágenes con una cámara de vídeo y se transforma dicha información en un patrón de estímulos eléctricos sobre la superficie de la piel. El paciente aprende a reconocer las "imágenes" creadas de esa forma sobre la superficie de su piel y correlacionar dichas imágenes con los objetos que las provocan. Este tipo de dispositivos se ha empleado con éxito en muchos pacientes sordos, lográndose una mejoría sustancial de la capacidad de comunicación y de la calidad de vida de dichas personas.
En una segunda aproximación los dispositivos electrónicos sustituyen las estructuras dañadas. En el caso de un trastorno auditivo, estos dispositivos, llamados prótesis cocleares, sustituyen a la cóclea (la parte del oído que transforma el sonido en un código de impulsos nerviosos). Las señales son captadas por un micrófono y son transformadas electrónicamente en impulsos eléctricos que estimulan directamente el nervio auditivo. Los resultados han sido muy buenos, existiendo experiencia en miles de pacientes implantados fundamentalmente en Estados Unidos y Europa. Sin embargo, no todos los pacientes sordos pueden ser tratados con la misma eficacia utilizando prótesis cocleares. La selección de pacientes para utilizar dichos implantes involucra una serie de estudios especializados y relativamente costosos. El código de impulsos que representa la información auditiva es aún poco conocido y deben hacerse múltiples pruebas y ajustes de la prótesis cocleares hasta lograr una transferencia optima de información entre el dispositivo y el nervio. En nuestro país esta tecnología fue introducida con éxito por el grupo del Hospital Maciel, dirigido por el Prof. Dr. Hamlet Suarez.
¿Es posible recuperar los movimientos perdidos?
Las lesiones cerebrales y medulares pueden causar perdida permanente de las sensaciones o la motricidad de los miembros. En el sistema nervioso, la regeneración de las células afectadas no es posible; por lo tanto los daños son irrecuperables. Sin embargo, la estimulación de elementos sanos puede facilitar el desarrollo de circuitos neurales que realizan la suplencia de las zonas dañadas. En otros casos, la función de las zonas dañadas puede sustituirse parcialmente por una computadora controlada por zonas indemnes del cerebro y por señales obtenidas de los nervios periféricos. Las señales nerviosas pueden ser registradas electrónicamente y procesadas por la neuroprótesis. Una vez procesada la información, el dispositivo puede estimular los músculos con impulsos eléctricos permitiendo cumplir así algunas funciones motoras elementales.
Un dispositivo ayuda a ratas paralizadas a andar de nuevo
Los dispositivos de que disponemos actualmente han implementado parcialmente este sistema conceptual. Se pueden describir varios tipos entre los que se destacan los dispositivos "de bucle abierto" y
"de bucle cerrado"
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En los dispositivos llamados "de bucle abierto" se prescinde de las señales neurales resultantes de la contracción de los músculos estimulados. El paciente pone en marcha el estimulador con una llave accionada mecánicamente con un miembro sano o accionada eléctricamente activando voluntariamente músculos sanos. En este ultimo caso, las señales obtenidas del músculo voluntariamente activado controlan el estimulador. En general, los músculos son estimulados de acuerdo a una secuencia temporal fija. Dicha secuencia se obtiene registrando la actividad muscular en personas normales. Este tipo de dispositivo es poco eficiente porque no tiene en cuenta las características propias del paciente y las distintas condiciones en las cuales el paciente utiliza sus músculos.
En los dispositivos "de bucle cerrado" se gradúa la estimulación de acuerdo al efecto producido. Dicho efecto puede estimarse de distintas formas: (a) utilizando sensores externos que permiten medir continuamente los ángulos entre las articulaciones y la fuerza sobre los puntos de apoyo, (b) registrando la actividad muscular provocada por el estímulo, (c) registrando la actividad de los nervios periféricos sanos que llevan hacia el sistema nervioso la información de la posición articular, el tacto y la presión. En el momento actual sólo se dispone comercialmente del tipo de dispositivos en los cuales los efectos se miden utilizando sensores externos. Los otros tipos de dispositivos "de bucle cerrado" se encuentran aún en etapa experimental.
Por ultimo, existe un tercer tipo de señales importantes para el comando de las neuroprótesis. Estas son las señales generadas por la corteza cerebral; en algunos pacientes estas señales podrían ser registradas en forma continua y ser utilizadas para controlar la computadora que controla la estimulación muscular en combinación con las señales obtenidas de los nervios periféricos (ver figura).
Figura tomada de Hoffer et al, (cita bibliografica con permiso de los autores)
A. Las acciones voluntarias son iniciadas en varias áreas cerebrales. Las neuronas motoras de la corteza cerebral (1) proyectan sobre neuronas ubicadas a lo largo de la médula espinal (2) haciendo contactos sinápticos a varios niveles (3). Estas neuronas motoras tienen sus cuerpos en la médula, pero sus prolongaciones se extienden fuera de la misma, formando raíces plexos y nervios que terminan sobre los músculos (5). Señales originadas en terminaciones de nervios sensitivos, incluyendo algunas en las puntas de los dedos (6), se trasmiten desde los miembros a la médula y sirven para controlar en forma refleja la excitabilidad de las neuronas que comandan los músculos (7) y para informar al cerebro de los acontecimientos que ocurren en los dedos. La corteza cerebral procesa dicha información (9). Este procesamiento es necesario para adquirir conciencia de lo que ocurre con nuestro cuerpo.
B. Las lesiones de la médula espinal pueden destruir las prolongaciones de las neuronas corticales que comandan los actos motores y las prolongaciones de las neuronas ganglionares y medulares que llevan la información al cerebro sobre lo que ocurre en los miembros. El diagrama ilustra el plan más optimista concebido como posible al día de hoy. Las señales de la corteza cerebral podrían registrarse (1) y enviarse por telemetría (2) a un computador (3), que está programado para controlar la actividad de los músculos. Este computador envía señales (4) a los músculos para que se contraigan. Estas señales llegan a los músculos por cables implantados o por ondas de radio (5). El computador recibe información tomada de los nervios (6) que inervan la piel y los músculos y de sensores externos (7) que miden el movimiento de las articulaciones. Con estos datos ajusta los estímulos enviados a los músculos para obtener movimientos más suaves y eficaces. Por ultimo el computador envía estímulos (8) por ondas de radio hacia la corteza cerebral (9), para informar al sujeto de lo que está ocurriendo.
Desafíos técnicos y económicos.
La investigación científica básica y aplicada es fundamental para el desarrollo futuro de las neuroprótesis implantables. Es necesario conocer el funcionamiento normal del sistema nervioso para poder desarrollar artefactos que lo "mimeticen" y se interconecten con él. Se requiere además poder extraer las señales nerviosas con dispositivos implantados en forma crónica y diseñar estimuladores implantables para la estimulación muscular. Por ultimo deben desarrollarse computadoras "inteligentes" para controlar la actividad de los estimuladores teniendo en cuenta los efectos producidos.
Prototipo de neuroprotesis que eliminaría los temblores del parkinson
Es importante destacar los aportes de investigadores uruguayos al desarrollo de neuroprótesis. Los ingenieros uruguayos Sergio Basalo (del grupo del Hospital Maciel) y Mario Svisrsky, (del Massachusetts Institute of Technology) han logrado avances significativos en la optimización del código de impulsos que estimula el nervio auditivo. El Dr. J. A. Hoffer, radicado desde hace años en Canadá, dirige un activo grupo de trabajo en la Universidad Simón Fraser de British Columbia. Este grupo ha realizado aportes importantes para el desarrollo de sensores de la actividad de los nervios periféricos y es un grupo líder en el desarrollo de prótesis implantables.
Un segundo factor determinante para la utilización del recurso terapéutico es la accesibilidad desde el punto de vista económico. Los costos de estos dispositivos exceden las posibilidades del sistema de asistencia medica colectivizada de nuestro país. Desdichadamente para los uruguayos menos pudientes, el uso de las prótesis cocleares no esta comprendido aún dentro de las prestaciones cubiertas por el Fondo Nacional de Recursos.
En conclusión, las neuroprótesis brindan expectativas interesantes para los pacientes portadores de lesiones del sistema nervioso y de los órganos de los sentidos. Sin embargo, su utilización actual esta restringida a algunos casos seleccionados. En los próximos años, con el incremento de los conocimientos sobre el sistema nervioso y el desarrollo de nuevas tecnologías electrónicas e informáticas, podrían aparecer nuevos dispositivos capaces de satisfacer las necesidades de grupos cada vez más amplios de pacientes. Esfuerzos de pequeños grupos, como el encabezado por el Dr. Suarez, son muy importantes para que dichas tecnologías puedan beneficiar a nuestros compatriotas. Sin embargo, es un desafío para los cientificos, neurobiólogos, medicos y bioingenieros, y para los Poderes Públicos encargados de coordinar las politicas de ciencia y de salud lograr que dichas tecnologías sean cada vez mas útiles y accesibles.
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