El nuevo sistema inalámbrico puede restaurar la comunicación y la movilidad en personas con parálisis



Las interfaces cerebro-computadora (BCI) son una tecnología de asistencia emergente que permite a las personas con parálisis escribir en pantallas de computadora o manipular prótesis robóticas con solo pensar en mover sus propios cuerpos. Durante años, las BCI de investigación utilizadas en ensayos clínicos han requerido cables para conectar la matriz de sensores en el cerebro a computadoras que decodifican las señales y las utilizan para controlar dispositivos externos.

Ahora, por primera vez, los participantes del ensayo clínico BrainGate con tetraplejía han demostrado el uso de un BCI inalámbrico intracortical con un transmisor inalámbrico externo. El sistema es capaz de transmitir señales cerebrales con una resolución de una sola neurona y con una fidelidad de banda ancha completa sin atar físicamente al usuario a un sistema de decodificación.

Los cables tradicionales son reemplazados por un pequeño transmisor de aproximadamente 2 pulgadas en su dimensión más grande y que pesa un poco más de 1.5 onzas. La unidad se coloca en la parte superior de la cabeza del usuario y se conecta a una matriz de electrodos dentro de la corteza motora del cerebro utilizando el mismo puerto que utilizan los sistemas cableados.

Para un estudio publicado en Transacciones IEEE sobre ingeniería biomédica, dos participantes de ensayos clínicos con parálisis utilizaron el sistema BrainGate con un transmisor inalámbrico para apuntar, hacer clic y escribir en una tableta estándar. El estudio mostró que el sistema inalámbrico transmitía señales con prácticamente la misma fidelidad que los sistemas cableados, y los participantes lograron velocidades de escritura y precisión de apuntar y hacer clic similares.

“Hemos demostrado que este sistema inalámbrico es funcionalmente equivalente a los sistemas cableados que han sido el estándar de oro en el rendimiento de BCI durante años”, dijo John Simeral, profesor asistente de ingeniería (investigación) en la Universidad de Brown, miembro de BrainGate. consorcio de investigación y autor principal del estudio. “Las señales se registran y transmiten con una fidelidad similar, lo que significa que podemos usar los mismos algoritmos de decodificación que usamos con el equipo cableado. La única diferencia es que las personas ya no necesitan estar físicamente atadas a nuestro equipo, lo que abre nuevas posibilidades en términos de cómo se puede utilizar el sistema “.

Los investigadores dicen que el estudio representa un paso temprano pero importante hacia un objetivo principal en la investigación de BCI: un sistema intracortical completamente implantable que ayuda a restaurar la independencia de las personas que han perdido la capacidad de moverse.

Si bien se informó anteriormente sobre dispositivos inalámbricos con menor ancho de banda, este es el primer dispositivo que transmite el espectro completo de señales registradas por un sensor intracortical. Esa señal inalámbrica de banda ancha permite la investigación clínica y la neurociencia humana básica que es mucho más difícil de realizar con BCI cableadas.

El nuevo estudio demostró algunas de esas nuevas posibilidades. Los participantes del ensayo, un hombre de 35 años y un hombre de 63 años, ambos paralizados por lesiones en la médula espinal, pudieron usar el sistema en sus hogares, a diferencia del entorno de laboratorio donde se lleva a cabo la mayoría de las investigaciones de BCI. lugar. Sin el estorbo de los cables, los participantes pudieron usar el BCI de forma continua durante hasta 24 horas, lo que les brindó a los investigadores datos de larga duración, incluso mientras los participantes dormían.

Queremos comprender cómo evolucionan las señales neuronales con el tiempo. Con este sistema, podemos observar la actividad cerebral, en casa, durante largos períodos de una manera que antes era casi imposible. Esto nos ayudará a diseñar algoritmos de decodificación que proporcionen la restauración perfecta, intuitiva y confiable de la comunicación y la movilidad para las personas con parálisis.. “

Leigh Hochberg, autor principal del estudio y profesor de ingeniería, Brown University

Hochberg es investigador del Instituto Carney de Ciencias del Cerebro de Brown y líder del ensayo clínico BrainGate.

El dispositivo utilizado en el estudio se desarrolló por primera vez en Brown en el laboratorio de Arto Nurmikko, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown. Apodado el dispositivo inalámbrico marrón (BWD), fue diseñado para transmitir señales de alta fidelidad con un consumo mínimo de energía. En el estudio actual, dos dispositivos utilizados juntos registraron señales neuronales a 48 megabits por segundo de 200 electrodos con una duración de batería de más de 36 horas.

Si bien el BWD se ha utilizado con éxito durante varios años en la investigación de neurociencia básica, se requirieron pruebas adicionales y permisos regulatorios antes de usar el sistema en el ensayo BrainGate. Nurmikko dice que el paso al uso humano marca un momento clave en el desarrollo de la tecnología BCI.

“Tengo el privilegio de ser parte de un equipo que empuja las fronteras de las interfaces cerebro-máquina para uso humano”, dijo Nurmikko. “Es importante destacar que la tecnología inalámbrica descrita en nuestro artículo nos ha ayudado a obtener información crucial para el camino a seguir en la búsqueda de la próxima generación de neurotecnologías, como interfaces electrónicas inalámbricas de alta densidad totalmente implantadas para el cerebro”.

El nuevo estudio marca otro avance significativo de los investigadores del consorcio BrainGate, un grupo interdisciplinario de investigadores de las universidades Brown, Stanford y Case Western Reserve, así como del Centro Médico de Asuntos de Veteranos de Providence y el Hospital General de Massachusetts.

En 2012, el equipo publicó una investigación histórica en la que los participantes de un ensayo clínico pudieron, por primera vez, operar prótesis robóticas multidimensionales utilizando un BCI. Ese trabajo ha sido seguido por un flujo constante de mejoras en el sistema, así como por nuevos avances clínicos que han permitido a las personas escribir en computadoras, usar aplicaciones de tabletas e incluso mover sus propias extremidades paralizadas.

“La evolución de las BCI intracorticales de requerir un cable de alambre a usar en su lugar un transmisor inalámbrico en miniatura es un paso importante hacia el uso funcional de interfaces neuronales de alto rendimiento totalmente implantadas”, dijo la coautora del estudio Sharlene Flesher, quien fue becaria postdoctoral en Stanford y ahora es ingeniero de hardware en Apple. “A medida que el campo se dirige hacia la reducción del ancho de banda transmitido mientras se preserva la precisión del control de los dispositivos de asistencia, este estudio puede ser uno de los pocos que captura la amplitud completa de las señales corticales durante períodos de tiempo prolongados, incluso durante el uso práctico de BCI”.

La nueva tecnología inalámbrica ya está pagando dividendos de formas inesperadas, dicen los investigadores. Debido a que los participantes pueden usar el dispositivo inalámbrico en sus hogares sin un técnico disponible para mantener la conexión por cable, el equipo de BrainGate ha podido continuar su trabajo durante la pandemia de COVID-19.

“En marzo de 2020, quedó claro que no podríamos visitar los hogares de nuestros participantes de la investigación”, dijo Hochberg, quien también es neurólogo de cuidados críticos en el Hospital General de Massachusetts y director del Centro de Investigación y Desarrollo de Rehabilitación de VA para Neurorestoration y Neurotecnología. “Pero al capacitar a los cuidadores sobre cómo establecer la conexión inalámbrica, un participante de la prueba pudo usar el BCI sin que los miembros de nuestro equipo estuvieran físicamente allí. Así que no solo pudimos continuar nuestra investigación, esta tecnología nos permitió continuar con la ancho de banda y fidelidad que teníamos antes “.

Simeral señaló que, “Varias empresas han entrado maravillosamente en el campo de BCI, y algunas ya han demostrado el uso humano de sistemas inalámbricos de ancho de banda bajo, incluidos algunos que están completamente implantados. En este informe, estamos entusiasmados de haber utilizado un ancho de banda alto sistema inalámbrico que mejora las capacidades científicas y clínicas de los sistemas futuros “.

Brown tiene un acuerdo de licencia con Blackrock Microsystems para que el dispositivo esté disponible para los investigadores de neurociencia de todo el mundo. El equipo de BrainGate planea continuar utilizando el dispositivo en ensayos clínicos en curso.

Fuente:

Referencia de la revista:

Simeral, JD, et al. (2021) Uso doméstico de una interfaz cerebro-computadora intracortical inalámbrica percutánea por personas con tetraplejía. Transacciones IEEE sobre ingeniería biomédica. doi.org/10.1109/TBME.2021.3069119.

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