El procedimiento de interfaz mioneural agonista-antagonista: portal a un futuro cíborg

Artículo original: The AMI Procedure – Gateway to a Cyborg Future  Arielle Hogan

Traducido por Justin Lai

Los avances en la bioingeniería y la robótica han generado dispositivos increíbles capaces de restaurar parcialmente la funcionalidad de quienes sufren discapacidades relacionadas con el movimiento. Sin embargo, esta tecnología no es perfecta. Los pacientes todavía se quejan de dolencias como la fatiga articular, la reducción de la capacidad de movimiento y el síndrome del miembro fantasma (sensación percibida o dolor que emana de un miembro que ha sido amputado). La mayoría de estos problemas se derivan de la falta de conexión entre el humano y la máquina debido a nuestra incapacidad de integrar los circuitos biónicos con los nuestros. El lograr esto exitosamente convertiría a los seres ficticios de nuestras queridas películas y novelas de ciencia ficción, los cíborgs, en una realidad.

¿Qué es un cíborg?

Para responder a esta pregunta, recurriremos a Hugh Herr, director del laboratorio de biomecatrónica del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), que se dedica a la creación de cíborgs. Su historia comienza con un accidente de montañismo y un caso extremo de congelación, que requirió la amputación de ambas piernas por debajo de la rodilla. Su amor por la escalada en roca lo impulsó al campo de la bioingeniería y la protésica cuando se dispuso a diseñar un par de piernas que no solo restauraran sino que acrecentaran su capacidad para escalar.

Hugh Herr es un hombre biónico, pero no califica como un cíborg, anglicismo y acrónimo del término «organismo cibernético». Sus prótesis incluyen sensores artificiales que decodifican las señales nerviosas de sus músculos y las transforman en movimientos que luego realizan las extremidades biónicas. Esta tecnología permite una gama y una facilidad de movimientos más amplias que pocos dispositivos disponibles para el público ofrecen hoy en día. Sin embargo, a pesar de sus mejoras tecnológicas, el Dr. Herr no puede sentir sus piernas y, por lo tanto, como él explica, no son parte de él.

« Esta tecnología permite una gama y una facilidad de movimientos más amplias que pocos dispositivos disponibles para el público ofrecen hoy en día »

En una charla TED de 2018, el Dr. Herr explica que la verdadera tecnología cíborg debe ser capaz de recibir y enviar señales a su contraparte humana. La diferencia entre un humano biónico y un cíborg es la diferencia entre usar una mano biónica para coger una cerveza y usar una mano cibernética no solo para coger la cerveza, sino también para sentir el vidrio frío y la condensación sobre la botella mientras se saca del refrigerador. Este flujo bidireccional de información desvanece el límite entre humanos y máquinas, lo que permite que una persona experimente todas las sensaciones naturales del mundo.

Solo hay un problema. Hasta hace poco, todos los pacientes que requerían prótesis debido a la pérdida de una extremidad a menudo se sometían a procedimientos de amputación obsoletos que lesionaban los circuitos neurales subyacentes. Debido a la destrucción de los circuitos del muñón, no quedaba ninguna interfaz para transmitir información hacia y desde el miembro biónico, lo que hacía el flujo bidireccional de información imposible. Para resolver este problema, los investigadores volvieron a examinar el primer paso de la transición de humano a cíborg: el proceso de amputación.

Los orígenes del procedimiento de interfaz mioneural agonista-antagonista

La amputación es uno de los procedimientos más antiguos que existen hoy en día. Su historia se remonta al año 5000 a. C. como subproducto de antiguos rituales, castigos y lesiones. Aunque el procedimiento clínico estándar para las amputaciones ha mejorado mucho desde el golpe de hacha usado en nuestro pasado remoto, los avances en la cirugía de amputación se han mantenido prácticamente idénticos desde la guerra civil estadounidense. Tal como está ahora, el procedimiento operativo estándar no se mantiene al día con la innovación en el campo protésico, lo que limita la capacidad de rehabilitación después del trauma.

«Tal como está ahora, el procedimiento operativo estándar no se mantiene al día con la innovación en el campo protésico, lo que limita la capacidad de rehabilitación después del trauma.»

En un estudio de 2018, investigadores de biomecatrónica del MIT, junto con cirujanos del «Brigham and Women’s Hospital» en Boston, Massachusetts, desarrollaron e implementaron una nueva técnica de amputación quirúrgica llamada interfaz mioneural agonista-antagonista o AMI (por sus siglas en inglés) para abreviar (Clites et al. 2018). Esta técnica protege los circuitos neuromusculares en el muñón, o la extremidad «residual», al volver a conectar los tendones y los nervios musculares después de la extirpación de la extremidad «distal» amputada. La conservación de la arquitectura muscular agonista-antagonista permite mantener la propiocepción, la capacidad de percibir y sentir la posición y el movimiento de nuestro cuerpo, una facultad que comúnmente se pierde en el procedimiento de amputación estándar. Además, el procedimiento AMI proporciona un circuito que permite la entrada y salida de señales hacia y desde la bioprótesis, completando así la señalización neuronal bidireccional que comprende la tecnología cibernética.

Comunicación Cibernética y Biológica

Entonces, ¿cómo se comunica el miembro cibernético con el sistema nervioso humano? Primero, veamos cómo el humano envía información a la máquina. Después del procedimiento AMI, los investigadores colocan pequeños sensores mioeléctricos artificiales en cada uno de los músculos del muñón, y que permiten registrar la actividad neuromuscular en el miembro residual. Los electrodos transmiten la actividad neuronal a pequeñas computadoras en el dispositivo cibernético, que decodifican las señales para producir movimientos por medio de los motores en los miembros. Ahora veamos cómo el humano recibe información de la máquina. Cuando la extremidad biónica se mueve, devuelve señales mioeléctricas a los sensores musculares AMI, lo que hace que un músculo se contraiga mientras que el otro se relaje, un reflejo de inhibición recíproca, permitido por el procedimiento de amputación AMI. Luego, los músculos transmiten información al cerebro sobre la localización y el movimiento en el espacio de la extremidad cibernética, lo que permite una sensación normal de propiocepción. El circuito de comunicación está completo, y el hombre y la máquina se vuelven uno.

«El circuito de comunicación está completo, y el hombre y la máquina se vuelven uno.»

Visión de un futuro cíborg

Ahora que entendemos cómo funciona la tecnología cíborg, podemos considerar lo que esto significa para nuestro futuro. En los últimos minutos de su charla TED, Hugh Herr deslumbra a la audiencia con gráficos coloridos de exoesqueletos de cíborgs sobrehumanos capaces de aumentar diez veces la fuerza de una persona y alas biónicas que se conectan a nuestro sistema nervioso central y nos transportan a alturas que solo son posibles en nuestros sueños. Si bien es divertido imaginarnos equipados con un par de alas volando hacia el supermercado para evitar el tráfico, todo parece indicar que aún estamos más lejos de ese futuro de lo que el Dr. Herr nos quiere hacer creer. Hasta ahora, solo nueve pacientes han recibido el procedimiento AMI y, debido a que solo se desarrolló en el 2018, aún no se han determinado los efectos a largo plazo del procedimiento. Además, los videos compartidos durante la presentación, mostrando a Jim Ewing, el primer hombre al que se le colocó una prótesis biónica después del procedimiento AMI, muestran un pie biónico que, aunque extraordinario en su rango de movimiento, no imita del todo la fluidez de nuestras extremidades anatómicas.

Otro tema a considerar es la biocompatibilidad de nuestros miembros cibernéticos. ¿Cómo reaccionará el tejido de los músculos, el cerebro o la médula espinal a los electrodos implantados? ¿Pueden estos electrodos facilitar con éxito la transmisión e integración de señales precisas de tal forma que se asemejen a nuestras redes neuronales naturales? ¿Cómo garantizaríamos la protección de nuestro delicado sistema nervioso frente a una falla técnica de esta tecnología cibernética? Todavía hay muchos problemas por resolver para predecir lo que esta tecnología podría ofrecernos en un futuro, pero hemos llegado bastante lejos si consideramos que comenzamos con patas de palo y garfios para reemplazar miembros perdidos. De hecho, estamos trabajando con tecnologías que puedan mejorar el funcionamiento de las articulaciones y miembros postizos. Algún día, esta tecnología podrá usarse para proporcionarles a los pacientes amputados miembros biónicos más fuertes, más rápidos y más eficientes que nuestros propios brazos y piernas naturales. Gracias al procedimiento AMI, ahora tenemos la expectativa de un futuro en el que se pueden restaurar completamente las capacidades físicas de los pacientes con amputaciones, y un futuro en el que la discapacidad física podría transformarse en una ventaja física.

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Escrito por Arielle Hogan
Illustrado por Gil Torten
Editado por Elizabeth Burnette, Sean Noah y Desislava Nesheva
Traducido por Justin Lai

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Referencias 

 

Clites, T. R., Herr, H. M., Srinivasan, S. S., Zorzos, A. N., & Carty, M. J. (2018). The Ewing Amputation: The First Human Implementation of the Agonist-Antagonist Myoneural Interface. Plastic and reconstructive surgery. Global open, 6(11), e1997. https://doi.org/10.1097/GOX.0000000000001997 Herr, Hugh M. PhD*; Clites, Tyler R. PhD*;

Herr, H. (2017). On prosthetic control: A regenerative agonist-antagonist myoneural interface. Science Robotics. Vol. 2, Issue 6, eaan2971. http://dx.doi.org/10.1126/scirobotics.aan2971

Herr, Hugh. (2018, April). How We’ll Become Cyborgs and Extend Human Potential. Retrieved from https:// www.ted.com/talks/hugh_herr_how_we_ll_become_cyborgs_and_ extend_human_potential?language=en#t-445392

Herr, Hugh. (2014, March). The New Bionics that Let Us Run, Climb, and Dance.Retrieved from https://www.ted
.com/talks/hugh_herr_the_new_bionics_that_let_us_run_climb_and_dance?language=en

Sellegren, K. R. (1982). An Early History of Lower Limb Amputations and Prostheses. The Iowa Orthopaedic Journal, 2, 13-27.

Srinivasan, Shriya BS*; Talbot, Simon G. MD†; Dumanian, Gregory A. MD, FACS‡; Cederna, Paul S. MD§; Carty, Matthew J. MD*,† Reinventing Extremity Amputation in the Era of Functional Limb Restoration, Annals of Surgery: April 20, 2020 – Volume Publish Ahead of Print – Issue – doi: 10.1097/ SLA.0000000000003895

Wolff, P., Shepard, J. (2013) Psychology of Learning and Motivation. (Volume 58). Retrieved from https:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124072374000050

 

Arielle Hogan

Arielle Hogan recibió una licenciatura en Biología y otra en francés de la Universidad de Virginia. Ahora está cursando un doctorado en Neurociencia en el programa NSIDP de UCLA. Su investigación se centra en las lesiones del sistema nervioso central y la reparación neural. Específicamente, está investigando los programas transcripcionales intrínsecos diferenciales que permiten la regeneración del sistema nervioso periférico e investigando cómo se pueden inducir estos programas transcripcionales en modelos de lesión del sistema nervioso central para promover la regeneración. También le gusta aprender sobre la biomecatrónica y la interfaz cerebro-máquina, así como participar en la divulgación y la enseñanza de la ciencia. Fuera del laboratorio, pasa el tiempo practicando francés, jugando al baloncesto, viendo películas (incluso las malas) y viajando. Para obtener más información sobre Arielle Hogan, visite su perfil completo.

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