James Johnson espera volver a conducir un coche algún día. Si lo hace, lo hará usando sólo sus pensamientos.
En marzo de 2017, Johnson se rompió el cuello en un accidente de karting, lo que lo dejó casi completamente paralizado debajo de los hombros. Entendió su nueva realidad mejor que la mayoría. Durante décadas, había sido cuidador de personas con parálisis. “Había una profunda depresión”, dice. “Pensé que cuando me pasó esto no había nada, nada que pudiera hacer o dar”.
Pero luego, el equipo de rehabilitación de Johnson lo presentó a investigadores del cercano Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Pasadena, quienes lo invitaron a unirse a un ensayo clínico de una interfaz cerebro-computadora (BCI). Esto primero implicaría neurocirugía para implantar dos rejillas de electrodos en su corteza. Estos electrodos registrarían las neuronas en su cerebro a medida que se disparan, y los investigadores usarían algoritmos para decodificar sus pensamientos e intenciones. Luego, el sistema usaría la actividad cerebral de Johnson para operar aplicaciones informáticas o para mover un dispositivo protésico. En total, llevaría años y requeriría cientos de sesiones de entrenamiento intensivo. “Realmente no dudé”, dice Johnson.
La primera vez que usó su BCI, implantado en noviembre de 2018, Johnson movió el cursor por la pantalla de una computadora. "Se sentía como The Matrix", dice. “Nos conectamos a la computadora, y he aquí que pude mover el cursor con solo pensar”.
Desde entonces, Johnson ha usado el BCI para controlar un brazo robótico, usar el software Photoshop, jugar videojuegos de disparos y ahora conducir un automóvil simulado a través de un entorno virtual, cambiando la velocidad, la dirección y reaccionando a peligros. "Siempre me sorprende lo que somos capaces de hacer", dice, "y es increíble".
Johnson es una de las aproximadamente 35 personas a las que se les ha implantado una BCI a largo plazo en el cerebro. Solo alrededor de una docena de laboratorios realizan este tipo de investigación, pero ese número está creciendo. Y en los últimos cinco años, la gama de habilidades que estos dispositivos pueden restaurar se ha expandido enormemente. Solo el año pasado, los científicos describieron a un participante del estudio que usaba un brazo robótico que podía enviar retroalimentación sensorial directamente a su cerebro1; un dispositivo protésico del habla para alguien que no puede hablar debido a un derrame cerebral2; y una persona capaz de comunicarse a velocidades récord imaginándose a sí mismo escribiendo a mano3.
Hasta ahora, la gran mayoría de los implantes para el registro a largo plazo de neuronas individuales han sido fabricados por una sola empresa: Blackrock Neurotech, un desarrollador de dispositivos médicos con sede en Salt Lake City, Utah. Pero en los últimos siete años ha aumentado el interés comercial en las BCI. En particular, en 2016, el empresario Elon Musk lanzó Neuralink en San Francisco, California, con el objetivo de conectar humanos y computadoras. La empresa ha recaudado 363 millones de dólares. El año pasado, Blackrock Neurotech y varias otras empresas BCI más nuevas también atrajeron un importante respaldo financiero.
Sin embargo, llevar una BCI al mercado implicará transformar una tecnología personalizada, probada en la práctica solo en un pequeño número de personas, en un producto que se pueda fabricar, implantar y usar a escala. Los ensayos grandes deberán demostrar que los BCI pueden funcionar en entornos que no son de investigación y mejorar de manera demostrable la vida cotidiana de los usuarios, a precios que el mercado puede soportar. El cronograma para lograr todo esto es incierto, pero el campo es optimista. “Durante miles de años, hemos estado buscando alguna forma de curar a las personas que tienen parálisis”, dice Matt Angle, director ejecutivo fundador de Paradromics, una empresa de neurotecnología en Austin, Texas. “Ahora estamos en la cúspide de tener tecnologías que podamos aprovechar para esas cosas”.
Evolución de la interfaz
En junio de 2004, los investigadores presionaron una rejilla de electrodos en la corteza motora de un hombre que había quedado paralizado por un apuñalamiento. Fue la primera persona en recibir un implante BCI a largo plazo. Como la mayoría de las personas que han recibido BCI desde entonces, su cognición estaba intacta. Podía imaginarse moviéndose, pero había perdido las vías neurales entre su corteza motora y sus músculos. Después de décadas de trabajo en muchos laboratorios con monos, los investigadores aprendieron a decodificar los movimientos de los animales a partir de registros en tiempo real de la actividad en la corteza motora. Ahora esperaban inferir los movimientos imaginados de una persona a partir de la actividad cerebral en la misma región.
En 2006, un documento histórico4 describió cómo el hombre había aprendido a mover el cursor por la pantalla de una computadora, controlar un televisor y usar brazos y manos robóticos con solo pensar. El estudio fue codirigido por Leigh Hochberg, neurocientífica y neuróloga de cuidados intensivos de la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island, y del Hospital General de Massachusetts en Boston. Fue el primero de un conjunto multicéntrico de ensayos llamado BrainGate, que continúa en la actualidad.
“Fue una demostración muy simple y rudimentaria”, dice Hochberg. “Los movimientos eran lentos o imprecisos, o ambos. Pero demostró que podría ser posible grabar desde la corteza de alguien que no podía moverse y permitir que esa persona controle un dispositivo externo”.
Los usuarios de BCI de hoy tienen un control mucho más preciso y acceso a una gama más amplia de habilidades. En parte, esto se debe a que los investigadores comenzaron a implantar múltiples BCI en diferentes áreas del cerebro del usuario e idearon nuevas formas de identificar señales útiles. Pero Hochberg dice que el mayor impulso provino del aprendizaje automático, que ha mejorado la capacidad de decodificar la actividad neuronal. En lugar de tratar de comprender qué significan los patrones de actividad, el aprendizaje automático simplemente identifica y vincula los patrones con la intención del usuario.
“Tenemos información neuronal; sabemos lo que intenta hacer la persona que genera los datos neuronales; y estamos pidiendo a los algoritmos que creen un mapa entre los dos”, dice Hochberg. "Esa resulta ser una técnica notablemente poderosa".
Independencia motora
Cuando se les pregunta qué quieren de la neurotecnología de asistencia, las personas con parálisis suelen responder "independencia". Para las personas que no pueden mover sus extremidades, esto generalmente significa restaurar el movimiento.
Un enfoque es implantar electrodos que estimulen directamente los músculos de las extremidades de una persona y hacer que el BCI los controle directamente. “Si puede capturar las señales corticales nativas relacionadas con el control de los movimientos de las manos, esencialmente puede evitar la lesión de la médula espinal para ir directamente del cerebro a la periferia”, dice Bolu Ajiboye, neurocientífico de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio.
En 2017, Ajiboye y sus colegas describieron a un participante que usaba este sistema para realizar movimientos complejos del brazo, como beber una taza de café y alimentarse solo5. “Cuando comenzó el estudio por primera vez”, dice Ajiboye, “tuvo que pensar mucho en mover su brazo del punto A al punto B. Pero a medida que ganó más entrenamiento, solo podía pensar en mover su brazo y se movería. ” El participante también recuperó el sentido de propiedad del brazo.
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Ajiboye ahora está ampliando el repertorio de señales de comando que su sistema puede decodificar, como las de la fuerza de agarre. También quiere dar a los usuarios de BCI un sentido del tacto, un objetivo que persiguen varios laboratorios.
En 2015, un equipo dirigido por el neurocientífico Robert Gaunt de la Universidad de Pittsburgh en Pensilvania informó sobre la implantación de un conjunto de electrodos en la región de la mano de la corteza somatosensorial de una persona, donde se procesa la información táctil6. Cuando usaron los electrodos para estimular las neuronas, la persona sintió algo parecido a ser tocado.
Gaunt luego unió fuerzas con su colega de Pittsburgh Jennifer Collinger, una neurocientífica que avanza en el control de brazos robóticos mediante BCI. Juntos, diseñaron un brazo robótico con sensores de presión incrustados en las yemas de los dedos, que se alimentaban de electrodos implantados en la corteza somatosensorial para evocar un sentido sintético del tacto1. No era una sensación del todo natural: a veces se sentía como presión o pinchazos, otras veces era más como un zumbido, explica Gaunt. Sin embargo, la retroalimentación táctil hizo que la prótesis se sintiera mucho más natural de usar, y el tiempo que se tardaba en recoger un objeto se redujo a la mitad, de aproximadamente 20 segundos a 10.
La implantación de matrices en regiones del cerebro que tienen diferentes roles puede agregar matices al movimiento de otras maneras. El neurocientífico Richard Andersen, que dirige el ensayo en Caltech en el que participa Johnson, está tratando de descifrar los objetivos más abstractos de los usuarios aprovechando la corteza parietal posterior (PPC), que forma la intención o el plan para moverse7 . Es decir, podría codificar el pensamiento "Quiero un trago", mientras que la corteza motora dirige la mano hacia el café y luego se lo lleva a la boca.
El grupo de Anderson está explorando cómo esta entrada dual ayuda al rendimiento de BCI, contrastando el uso de las dos regiones corticales solas o juntas. Los resultados no publicados muestran que las intenciones de Johnson se pueden decodificar más rápidamente en el PPC, "de acuerdo con la codificación del objetivo del movimiento", dice Tyson Aflalo, investigador principal en el laboratorio de Andersen. La actividad de la corteza motora, por el contrario, dura todo el movimiento, dice, "haciendo que la trayectoria sea menos nerviosa".
Este nuevo tipo de información neuronal está ayudando a Johnson y a otros a ampliar lo que pueden hacer. Johnson usa el simulador de manejo y otro participante puede tocar un piano virtual usando su BCI.
Movimiento hacia el significado
“Uno de los resultados más devastadores relacionados con las lesiones cerebrales es la pérdida de la capacidad de comunicarse”, dice Edward Chang, neurocirujano y neurocientífico del Universidad de California, San Francisco. En los primeros trabajos de BCI, los participantes podían mover un cursor alrededor de la pantalla de una computadora imaginando que su mano se movía y luego imaginando agarrar las letras para "hacer clic", ofreciendo una forma de lograr la comunicación. Pero más recientemente, Chang y otros han logrado un rápido progreso al enfocarse en movimientos que las personas usan naturalmente para expresarse.
El punto de referencia para la comunicación mediante el control del cursor (aproximadamente 40 caracteres por minuto8) lo estableció en 2017 un equipo dirigido por Krishna Shenoy, neurocientífico de la Universidad de Stanford en California.
Luego, el año pasado, este grupo informó3 un enfoque que permitió al participante del estudio Dennis Degray, que puede hablar pero está paralizado del cuello para abajo, duplicar el ritmo.
El colega de Shenoy, Frank Willett, le sugirió a Degray que imaginara la escritura a mano mientras grababan desde su corteza motora (ver "Convertir pensamientos en tipos"). El sistema a veces tuvo problemas para analizar las señales relacionadas con las letras que están escritas a mano de manera similar, como r, n y h, pero en general podía distinguir fácilmente las letras. Los algoritmos de decodificación tenían una precisión del 95 % en la línea de base, pero cuando se corrigieron automáticamente usando modelos de lenguaje estadístico que son similares al texto predictivo en los teléfonos inteligentes, la precisión saltó al 99 %.
"Puedes decodificar movimientos realmente rápidos y muy finos", dice Shenoy, "y puedes hacerlo a 90 caracteres por minuto".
Degray ha tenido un BCI funcional en su cerebro durante casi 6 años y es un veterano de 18 estudios realizados por el grupo de Shenoy. Él dice que es notable cómo se vuelven las tareas sin esfuerzo. Él compara el proceso con aprender a nadar y dice: "Al principio te agitas mucho, pero de repente, todo se vuelve comprensible".
La interfaz neuronal traduce los pensamientos en texto
El enfoque de Chang para restaurar la comunicación se centra en hablar en lugar de escribir, aunque utiliza un principio similar. Así como la escritura está formada por letras distintas, el habla está formada por unidades discretas llamadas fonemas o sonidos individuales. Hay alrededor de 50 fonemas en inglés, y cada uno es creado por un movimiento estereotipado del tracto vocal, la lengua y los labios.
El grupo de Chang primero trabajó en la caracterización de la parte del cerebro que genera los fonemas y, por lo tanto, el habla: una región mal definida llamada corteza laríngea dorsal. Luego, los investigadores aplicaron estos conocimientos para crear un sistema de decodificación de voz que mostraba el discurso previsto del usuario como texto en una pantalla. El año pasado, informaron2 que este dispositivo permitía a una persona que no podía hablar debido a un derrame cerebral comunicarse, utilizando un vocabulario preseleccionado de 50 palabras ya una velocidad de 15 palabras por minuto. “Lo más importante que hemos aprendido”, dice Chang, “es que ya no es teórico; es verdaderamente posible decodificar palabras completas”.
A diferencia de otros avances BCI de alto perfil, Chang no registró de neuronas individuales. En su lugar, utilizó electrodos colocados en la superficie cortical que detectan la actividad promedio de las poblaciones neuronales. Las señales no son tan finas como las de los electrodos implantados en la corteza, pero el enfoque es menos invasivo.
La pérdida de comunicación más profunda ocurre en personas en un estado de bloqueo total, que permanecen conscientes pero no pueden hablar ni moverse. En marzo, un equipo que incluía al neurocientífico Ujwal Chaudhary y a otros de la Universidad de Tübingen, Alemania, informó9 que había reiniciado la comunicación con un hombre que padecía esclerosis lateral amiotrófica (ELA, o enfermedad de la motoneurona). Anteriormente, el hombre se había basado en los movimientos de los ojos para comunicarse, pero gradualmente perdió la capacidad de mover los ojos.
El equipo de investigadores obtuvo el consentimiento de la familia del hombre para implantar una BCI e intentó pedirle que imaginara movimientos para usar su actividad cerebral para elegir letras en una pantalla. Cuando esto falló, intentaron reproducir un sonido que imitaba la actividad cerebral del hombre (un tono más alto para más actividad, más bajo para menos) y le enseñaron a modular su actividad neuronal para aumentar el tono de un tono para señalar 'sí' y bajar. es por 'no'. Ese arreglo le permitió elegir una letra cada minuto más o menos.
El método difiere del de un artículo10 publicado en 2017, en el que Chaudhary y otros utilizaron una técnica no invasiva para leer la actividad cerebral. Se plantearon preguntas sobre el trabajo y se retractó el documento, pero Chaudhary lo mantiene.
Estos estudios de caso sugieren que el campo está madurando rápidamente, dice Amy Orsborn, quien investiga BCI en primates no humanos en la Universidad de Washington en Seattle. “Ha habido un aumento notable tanto en la cantidad de estudios clínicos como en los saltos que están dando en el espacio clínico”, dice ella. “Lo que viene con eso es el interés industrial”.
Lab to market
Aunque tales logros han atraído una gran cantidad de atención de los medios e inversores, el campo aún está muy lejos de mejorar la vida cotidiana de personas que han perdido la capacidad de moverse o hablar. Actualmente, los participantes del estudio operan BCI en sesiones breves e intensivas; casi todos deben estar físicamente conectados a un banco de computadoras y supervisados por un equipo de científicos que trabajan constantemente para perfeccionar y recalibrar los decodificadores y el software asociado. "Lo que quiero", dice Hochberg, hablando como neurólogo de cuidados intensivos, "es un dispositivo que esté disponible, que se pueda recetar, que esté 'listo para usar' y que se pueda usar rápidamente". Además, estos dispositivos idealmente durarían toda la vida de los usuarios.
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Muchos académicos destacados colaboran ahora con empresas para desarrollar dispositivos comercializables. Chaudhary, por el contrario, cofundó una empresa sin fines de lucro, ALS Voice, en Tübingen, para desarrollar neurotecnologías para personas en un estado completamente encerrado.
Los dispositivos existentes de Blackrock Neurotech han sido un pilar de la investigación clínica durante 18 años y quiere comercializar un sistema BCI dentro de un año, según el presidente Florian Solzbacher. La compañía estuvo un paso más cerca en noviembre pasado, cuando la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA), que regula los dispositivos médicos, puso los productos de la compañía en un proceso de revisión acelerado para facilitar su desarrollo comercial.
Este posible primer producto utilizaría cuatro matrices implantadas y se conectaría a través de cables a un dispositivo miniaturizado, que Solzbacher espera que muestre cómo se puede mejorar la vida de las personas. “No estamos hablando de una mejora de la eficacia del 5, 10 o 30 %”, dice. “La gente puede hacer algo que antes no podía”.
Blackrock Neurotech también está desarrollando un BCI inalámbrico totalmente implantable destinado a ser más fácil de usar y eliminar la necesidad de tener un puerto en el cráneo del usuario. Neuralink y Paradromics se han propuesto tener estas características desde el principio en los dispositivos que están desarrollando.
Estas dos empresas también tienen como objetivo aumentar el ancho de banda de la señal, lo que debería mejorar el rendimiento del dispositivo, al aumentar la cantidad de neuronas registradas. La interfaz de Paradromics, que actualmente se está probando en ovejas, tiene 1.600 canales, divididos en 4 módulos.
El sistema de Neuralink utiliza electrodos muy finos y flexibles, llamados hilos, que están diseñados para doblarse con el cerebro y reducir las reacciones inmunitarias, dice Shenoy, quien es consultora y asesora de la empresa. El objetivo es hacer que el dispositivo sea más duradero y las grabaciones más estables. Neuralink no ha publicado ningún artículo revisado por pares, pero una publicación de blog de 2021 informó sobre la implantación exitosa de hilos en el cerebro de un mono para registrar en 1024 sitios (consulte go.nature.com/3jt71yq). A los académicos les gustaría ver la tecnología publicada para un escrutinio completo, y hasta ahora Neuralink ha probado su sistema solo en animales. Pero, dice Ajiboye, "si lo que afirman es cierto, es un cambio de juego".
Solo otra empresa, además de Blackrock Neurotech, ha implantado un BCI a largo plazo en humanos, y podría resultar más fácil de vender que otros arreglos. Synchron en la ciudad de Nueva York ha desarrollado un 'stentrode', un conjunto de 16 electrodos formados alrededor de un stent de vaso sanguíneo11. Instalado en un día en un entorno ambulatorio, este dispositivo se pasa a través de la vena yugular a una vena en la parte superior de la corteza motora. Implantada por primera vez en una persona con ELA en agosto de 2019, la FDA puso la tecnología en una vía de revisión acelerada un año después.
Al igual que los electrodos que usa Chang, el stentrode carece de la resolución de otros implantes, por lo que no se puede usar para controlar prótesis complejas. Pero permite que las personas que no pueden moverse o hablar controlen un cursor en una tableta de computadora y, por lo tanto, envíen mensajes de texto, naveguen por Internet y controlen las tecnologías conectadas.
El cofundador de Synchron, el neurólogo Thomas Oxley, dice que la empresa ahora está enviando los resultados de una prueba de viabilidad de cuatro personas para su publicación, en la que los participantes usaron el dispositivo inalámbrico en casa cuando lo desearon. “No hay nada que sobresalga del cuerpo. Y siempre funciona”, dice Oxley. El próximo paso antes de solicitar la aprobación de la FDA, dice, es un ensayo a mayor escala para evaluar si el dispositivo mejora significativamente la funcionalidad y la calidad de vida.
Desafíos futuros
La mayoría de los investigadores que trabajan en BCI son realistas acerca de los desafíos que enfrentan. “Si da un paso atrás, es realmente más complicado que cualquier otro dispositivo neurológico jamás construido”, dice Shenoy. “Probablemente habrá algunos años de crecimiento difíciles para que la tecnología madure aún más”.
La ética de las interfaces cerebro-computadora
Orsborn destaca que los dispositivos comerciales tendrán que funcionar sin la supervisión de expertos durante meses o años, y que deben funcionar igual de bien en todos los usuarios. Anticipa que los avances en el aprendizaje automático abordarán el primer problema al proporcionar pasos de recalibración para que los implementen los usuarios. Pero lograr un rendimiento constante entre los usuarios podría presentar un desafío mayor.
“La variabilidad de persona a persona es aquella en la que no creo que sepamos cuál es el alcance del problema”, dice Orsborn. En primates no humanos, incluso pequeñas variaciones en la posición de los electrodos pueden afectar qué circuitos se conectan. Ella sospecha que también hay idiosincrasias importantes en cómo piensan y aprenden exactamente las diferentes personas, y las formas en que los cerebros de los usuarios se han visto afectados por sus diversas condiciones.
Por último, existe un reconocimiento generalizado de que la supervisión ética debe seguir el ritmo de esta tecnología en rápida evolución. Las BCI presentan múltiples preocupaciones, desde la privacidad hasta la autonomía personal. Los especialistas en ética enfatizan que los usuarios deben mantener el control total de las salidas de los dispositivos. Y aunque las tecnologías actuales no pueden decodificar los pensamientos privados de las personas, los desarrolladores tendrán registros de todas las comunicaciones de los usuarios y datos cruciales sobre su salud cerebral. Además, las BCI presentan un nuevo tipo de riesgo de ciberseguridad.
También existe el riesgo para los participantes de que sus dispositivos no sean compatibles para siempre, o que las empresas que los fabrican cierren. Ya hay instancias en las que los usuarios se sintieron defraudados cuando sus dispositivos implantados quedaron sin soporte.
Degray, sin embargo, está ansioso por ver que las BCI lleguen a más personas. Lo que más le gustaría de la tecnología de asistencia es poder rascarse la ceja, dice. “Todos me miran en la silla y siempre dicen: ‘Ay, ese pobre hombre, ya no puede jugar al golf’. Eso es malo. Pero el verdadero terror está en medio de la noche cuando una araña te cruza la cara. Eso es lo malo”.
Para Johnson, se trata de conexión humana y retroalimentación táctil; un abrazo de un ser querido. "Si podemos mapear las neuronas que son responsables de eso y de alguna manera filtrarlas en un dispositivo protésico algún día en el futuro, entonces me sentiré muy satisfecho con mis esfuerzos en estos estudios".
