Prodigios de la bioingeniería

La integración hombre-máquina ya es una realidad que ayuda a superar las barreras que imponen las patologías. Los límites para el avance de estos dispositivos no son sólo tecnológicos, sino de la propia biología humana.

Sonia Moreno. Madrid | María Sánchez-Monge | 21/07/2014 00:00

Superar los límites del cuerpo con la ayuda de las máquinas ya no es exclusivo de los personajes de cómic. En la vida real, las neuroprótesis, o dispositivos integrados en el sistema nervioso para restaurar o ampliar sus capacidades, se perfeccionan y expanden posibles aplicaciones. Estos sistemas no se limitan a estimular el sistema nervioso -un ejemplo recurrente sería el implante coclear-, sino que combinan esa acción con la de recoger e interpretrar las señales emitidas por el organismo.

John Donoghue, director del Instituto de Ciencia Cerebral de la Universidad de Brown, es el artífice del proyectoBrainGate, que busca literalmente convertir el pensamiento en acción en personas con discapacidad motora. Este grupo de científicos ha diseñado un chip -no mayor que una aspirina infantil, con unos cien electrodos cada uno del grosor de un pelo- que se implanta en la corteza cerebral para recoger la actividad de un grupo de células; la información pasa por un descodificador a su vez conectado con el dispositivo que asiste al movimiento. El sistema se ha expuesto en espectaculares presentaciones, como la de una paciente que, tras años de parálisis por ictus, pudo controlar un brazo robótico para beber de una taza. Otro científico, Miguel Nicolelis, profesor de Neurobiología en la Universidad de Duke (Durham), también ha mostrado en monos que es posible el control bilateral de brazos virtuales mediante dispositivos que recopilan información del cerebro y la trasladan a una máquina (interfaz cerebro-máquina).

Sin embargo, para que estos avances ayuden a los pacientes hay que superar escollos. Uno de ellos se deriva de los inconvenientes de implantar dispositivos no biológicos en el cerebro. José Luis Pons, director del Grupo de Neuro-Rehabilitación en el Instituto Cajal, del CSIC, trabaja, en la línea de la mayoría de grupos europeos, con electrodos externos, y reconoce que "si bien los implantes invasivos, a diferencia de los superficiales, proporcionan una información de mayor resolución, todavía no están optimizados y el cuerpo los reconoce como extraños, generando cicatrices en el tejido neuronal". De ahí que se investigue en metamateriales para elaborar electrodos que puedan ser estables.

Hiperestimulación
Con el ojo biónico sucede algo similar: la tecnología no es la única barrera ni la más importante para superar la visión rudimentaria que se consigue hoy en día en pacientes con retinosis pigmentaria. El dispositivo Argus IIdispone de 60 electrodos, cada uno de los cuales estimula un grupo de células. "Se puede pensar con toda lógica que, si aumentamos el número de estimuladores, probablemente podamos lograr una mejor definición de imagen", apunta Jeroni Nadal, coordinador del Departamento de Vítreo-Retina del Centro de Oftalmología Barraquer, en Barcelona. Pero no es tan sencillo: "El problema es que, en una retina que está dañada, la sobreestimulación puede provocar un estrés oxidativo que acorte la vida de las células".

La empresa que ha desarrollado el Argus II, Second Sight, ya tiene en proyecto dispositivos con 250 y 500 estimuladores y Nadal ve factible llegar a muchos más próximamente.

Pero se impone la cautela. "Es un terreno que todavía está en investigación, si bien, a corto plazo, no creo que tardemos mucho", apostilla el oftalmólogo.

De momento, los implantes sólo se insertan en un ojo, ya que no se puede aspirar a conseguir profundidad de imagen porque, en palabras de Nadal, "no es una imagen de calidad suficiente como para generar una tercera dimensión". Este avance aún tendrá que esperar.

Hoy en día solo tienen sentido los sistemas de visión artificial en casos muy concretos. Es posible que, en un futuro lejano, todo el mundo -incluso quienes no tienen ninguna patología- cuente con un implante ocular que le permita ver cosas que ahora ni siquiera imaginamos. Mientras tanto, tendremos que conformarnos con las cada vez mayores posibilidades que ofrecen adminículos externos como Google Glass. Ignacio Navarro, director de Desarrollo de Negocio de Droiders, resalta que esta cámara, a diferencia del ojo humano, "no se cansa, tiene gran angular y puede hacer zoom". Aplicada al ámbito médico, "mejora la visión del cirujano".

Otro artilugio que también mejora la percepción del cirujano es la impresora 3D. De hecho, una de las aplicaciones médicas de esta técnica es la obtención de prototipos de lesiones (óeas, tumorales) de pacientes concretos, para facilitar su estudio. Felip Fenollosa, director general de la Fundación CIM de la UPC, y pionero en la impresión 3D en España, recuerda que para lograr la máxima similitud con el modelo a imitar, médicos e ingenieros deben trabajar codo con codo, en un proceso de aprendizaje mutuo. El ingeniero investiga en el desarrollo de impresoras de cuatro o cinco materiales, allanando un futuro en el que, quizá, se puedan imprimir órganos.

'Ojo biónico'. De la oscuridad absoluta a la irrupción de la luz

De la noche a la mañana ha pasado de no ver prácticamente nada a poder percibir objetos y movimiento y distinguir un plato que está encima de la mesa o el hueco de una ventana. Es lo que ha conseguido la primera paciente española -que padece retinosis pigmentaria- a la que se le ha implantado el dispositivoArgus II.

El responsable de la operación, Jeroni Nadal, coordinador del Departamento de Vítreo-Retina del Centro Barraquer, en Barcelona, explica cómo funciona este ojo biónico: "Tiene una parte externa y otra interna. La externa es una gafa que sustenta una pequeña cámara de alta definición que conecta con un procesador. De ahí pasa a una antena que conecta con la parte interna, que es una especie de cinturón que se coloca alrededor del ojo y contiene otra antena con una especie de transductor. A partir de ahí se introduce un cableado en el ojo y un estimulador con 60 electrodos que se coloca sobre la mácula. Estimula las células ganglionares, de ahí pasa al nervio óptico y de éste a la parte occipital del cerebro".

Google Glass. El ojo del cirujano adquiere nuevos poderes

El dispositivo Google Glass, que aún se encuentra en fase de pruebas, ha proporcionado a varios cirujanos españoles la oportunidad de explotar uno de sus sentidos: la vista. Una aplicación diseñada por la empresa Droiders permite retransmitir con la cámara de estas gafas una intervención quirúrgica, mostrando siempre, por lo tanto, el punto de vista del cirujano.

Además, la compañía española ha desarrollado una aplicación para el dispositivo de realidad virtual Oculus Glass destinada a pacientes con fobia al quirófano. Nadie se queda sin gafas: el médico tiene unas que le permiten, entre otras cosas, grabar la operación, acceder a la historia clínica del enfermo o ver una simulación de la intervención. Mientras, el paciente ha dejado de reclamar anestesia general porque tiene ante sus ojos una playa paradisiaca y sólo escucha melodías relajantes.
Droiders explorará el potencial de Oculus para el tratamiento de fobias y adicciones.

Lentillas inteligentes. Miniaturización para medir la glucosa lagrimal

Novartis llegó la semana pasada a un acuerdo con Google X (el laboratorio semisecreto de la compañía) para desarrollar unas lentes de contacto inteligentes que monitoricen los niveles de glucosa en el ojo de sus portadores. Unos sensores en miniatura y una antena más delgada que un cabello humano permitirán medir la glucosa en la lágrima y transmitir los datos a dispositivos móviles.

Anteriores intentos de crear ingenios similares fracasaron por el alto grado de miniaturización que se requiere, que únicamente se encuentra al alcance de los ingenieros más avezados.

El objetivo es que este prototipo también contribuya a mejorar la visión. Funcionaría como el autofoco de una cámara, ayudando al ojo a enfocar los objetos cercanos y reajustando la imagen cuando el individuo se fija en elementos lejanos.

Extremidades biónicas. Dispositivos para agarrar, coger, caminar, pero también para sentir

Los nuevos dispositivos protésicos buscan, además de recuperar el movimiento, aportar sensibilidad. El neuroingeniero Miguel Nicolelis aventura que, en un futuro, los tetrapléjicos no sólo podrán mover sus brazos y caminar, sino también volver a sentir lo que cogen y lo que pisan.

Silvestro Micera, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), trabaja en el desarrollo de un brazo biónico que, al tiempo que permite coger un objeto, transmite su consistencia y textura. El prototipo de este brazo biónico recoge la información táctil y la transforma en señal eléctrica, pero es una señal demasiado tosca para que pueda interpretarla el sistema nervioso. Mediante algoritmos informáticos, se convierte esta señal en un impulso que los nervios sí pueden interpretar; el impulso llega al organismo a través de una serie de electrodos que están implantados en los nervios del miembro amputado (cubital y mediano). El resultado, como se vio hace unos meses en un amputado, fue la posibilidad de reconocer texturas y formas.

De nuevo, los principales límites de estas aproximaciones son la inestabilidad de los materiales empleados y que con el tiempo se ven deteriorados por el propio organismo.

Impresora 3D. Operar antes de operar gracias a las maquetas

El cirujano pediátrico Lucas Krauel, del Hospital San Juan de Dios, de Barcelona, se planteó la necesidad de un sistema que ayudara a planificar mejor las intervenciones más complejas. Como buen cirujano, Krauel necesitaba tocar, manipular; no le bastaba con la imagen, por sofisticada que fuera. Por ello, se puso en contacto con el grupo de Felip Fenollosa i Artés, director general de la Fundación CIM de la Universitat Politécnica de Cataluña-BarcelonaTech (UPC), y empezaron a trabajar juntos.

La impresión en 3D con un solo material es habitual en el ámbito de la traumatología y de la cirugía maxilofacial, y también se ha empleado en el diseño de ciertos prototipos de órganos, como la oreja. Pero el reto era conseguir un material impreso que conjugara materiales diferentes y reprodujera así la situación real de un tumor, envuelto en vasos sanguíneos y adherido a órganos vitales. De esta forma, obtendrían un modelo para "operar antes de operar".

Finalmente, consiguieron imprimir tres modelos para sus correspondientes cirugías. Las dos primeras fueron sendos neuroblastomas; uno de ellos, especialmente complicado, se localizaba en el abdomen y englobaba toda la vasculatura dependiente de la aorta abdominal y la vena cava inferior, además de los riñones. El tercer caso ha sido un sarcoma de mediastino que invadía cava superior, aurícula derecha e hilio pulmonar.

A partir de imágenes de TC y RM de los pacientes, se imprimieron representaciones del tumor en silicona, y de los vasos y tejidos que hay que preservar en una resina. La experiencia, pionera en el mundo, ha sido muy positiva, según los cirujanos. "Es una ayuda más para estas operaciones tan complejas, y seguro que se perfeccionará", apunta Krauel.

Exoesqueleto. Un traje robótico que facilita el movimiento

Los exoesqueletos vestibles se emplean en la rehabilitación y para asistir el movimiento. Uno de los últimos estudios con estos "trajes" lo acaban de iniciar especialistas del Servicio de Rehabilitación del Hospital General de Alicante, del grupo de Neuroingeniería Biomédica de la Universidad Miguel Hernández y del Grupo de Neuro-Rehabilitación del Instituto Cajal del CSIC.

Estos científicos realizaron hace una semana las primeras pruebas con un brazo acoplado como exoesqueleto alrededor de la extremidad de pacientes con accidente cerebrovascular (ACV) y traumatismos; el sistema utiliza también Brain Computer Interfaces (BCI), tecnología que usa la señal electroencefalográfica para determinar el momento en que el individuo "piensa" el movimiento, y la estimulación eléctrica funcional, una pequeña descarga eléctrica en los músculos paralizados para que se contraigan y relajen.

"Nuestra hipótesis", explica José L. Pons (Instituto Cajal), "es que el refuerzo que aporta el feedbackasistido por el robot y la estimulación eléctrica funcional facilita el entrenamiento y la recuperación de esos pacientes". El grupo del profesor Pons aplica este concepto de exoesqueleto y estimulación eléctrica adaptado al miembro inferior en otros estudios con diferentes centros hospitalarios y grupos de pacientes (ACV, lesión medular y parálisis cerebral).

También en parálisis cerebral, y hace unos días, según ha comentado a DM José Ignacio Serrano, del Grupo de Neuroingeniería y Ciencia Cognitiva, del CSIC, se han efectuado nuevas pruebas con un exoesqueleto de miembro inferior en niños afectados por este trastorno y que habían recibido una cirugía multinivel, dentro del proyecto CP-Walker, en colaboración con el Hospital Niño Jesús (Madrid).