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La investigación en neuroingeniería al servicio de la salud

16 de Enero de 2024
La investigación en neuroingeniería al servicio de la salud
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La neuroingeniería es un campo de investigación interdisciplinar emergente que engloba el trabajo de ingenieros, clínicos y neurocientíficos: estos expertos analizan el sistema nervioso y/o diseñan soluciones a problemas y disfunciones neurológicas

La neuroingeniería es un campo muy amplio que abarca aspectos experimentales, computacionales, teóricos, clínicos y aplicados de áreas de investigación a nivel molecular, celular y de sistemas. Por mencionar algunos ámbitos de ejemplo, estos incluyen, las interfaces cerebro-máquina, las neuroprótesis, la neurorrehabilitación, la neuroimagen, la neuromodulación, etc.

El sistema nervioso humano es uno de los sistemas biológicos más complejos del que todavía quedan muchos aspectos por desentrañar, aunque el esfuerzo de miles de científicos e investigadores está dando lugar a nuevas técnicas y tecnologías que permiten conocerlo más profundamente. Gracias a una estructura compleja de neuronas (y otros elementos), que se comunican mediante señales electroquímicas, el sistema nervioso nos permite interactuar con el entorno, bien recibiendo información sensorial del mismo o actuando sobre él.

Partes principales del sistema nervioso

El sistema nervioso humano se divide en dos partes principales; el sistema nervioso central (SNC) y el sistema nervioso periférico (SNP).

  • El SNC está formado por el cerebro y la médula espinal.
  • El SNP está formado principalmente por nervios que conectan el SNC con todas las demás partes del cuerpo. Los nervios que transmiten señales desde el cerebro se denominan nervios motores o eferentes, mientras que los nervios que transmiten información desde el cuerpo al SNC se denominan nervios sensoriales o aferentes.

Existe una amplia diversidad de ámbitos de estudio a distintos niveles dentro de la neuroingeniería. Podríamos dividir las aplicaciones en dos grandes grupos en función de su objetivo: las que leen o registran señales provenientes del sistema nervioso, y las que actúan sobre ella.

Adquisición de señales neurológicas

Las tecnologías que se encargan de leer señales electrofisiológicas del sistema nervioso normalmente constan de electrodos que actúan como interfaz entre el tejido biológico y la electrónica; electrónica encargada de amplificar los biopotenciales y filtrar el ruido; y algoritmos avanzados de procesamiento capaces de extraer características de las señales registradas. La complejidad de cada uno de estos elementos dependerá de la aplicación.

Por ejemplo, el reto de los dispositivos implantados dentro del cuerpo humano reside en la miniaturización de la electrónica y la biocompatibilidad de sus materiales. De lo contrario, en el caso de aplicaciones con electrodos no-invasivos (autoadhesivos), el reto reside en la eliminación del ruido y la decodificación de las señales electrofisiológicas; lo que requiere de técnicas avanzadas de procesamiento, donde se incluyen técnicas de inteligencia artificial. Este procesamiento también vendrá muy influenciado por el tipo de señal electrofisiológica que se pretende decodificar. Algunas de las aplicaciones más extendidas en el ámbito de la salud son: el electrocardiograma (ECG), que registra las señales provenientes del corazón; la electromiografía (EMG), que registra señales provenientes de los músculos; y la electroencefalografía (EEG), que registra señales provenientes del cerebro.

Estimulación del sistema nervioso

De manera análoga, existe tecnología que permite actuar en el sistema nervioso, mediante la transmisión de señales eléctricas al mismo. Una vez más existe una amplia diversidad de dispositivos y aplicaciones dependiendo del objetivo y la localización de dicha actuación. Normalmente constan de dos partes: los electrodos que actúan como interfaz entre el tejido biológico y la electrónica encargada de generar los estímulos eléctricos.

Una vez más, los sistemas implantados deben hacer frente a problemas de biocompatibilidad y miniaturización. En cuanto a los sistemas no-invasivos, en este caso, presentan un reto complejo, que es el de la selectividad. Esto se debe a que el sistema nervioso está compuesto de una red de nervios con miles de ramificaciones superpuestos unos sobre otros, lo que complica la estimulación selectiva de cada uno de estos desde la superficie.

Cuando el objetivo es generar contracciones musculares, se estimulan las vías eferentes, mientras que cuando se pretenden generar sensaciones de manera artificial, se estimulan las vías aferentes. Mediante la neuromodulación también se pueden corregir patrones de actividad neurológica anormales en el cerebro por ejemplo.

Existe una amplia diversidad de dispositivos que permiten tratar enfermedades neurológicas y sustituir o rehabilitar funciones dañadas mediante la estimulación del sistema nervioso. Algunos ejemplos muy extendidos actualmente en la práctica clínica habitual podrían ser:

  • Marcapasos, que son sistemas implantados capaces de generar contracciones controladas al corazón (estimulación eferente)
  • Implantes cocleares, sistemas que permiten oír a personas con pérdida auditiva (estimulación aferente)
  • Estimulación eléctrica neuromuscular
  • Sistemas no-invasivos utilizados en programas de recuperación de lesiones
  • Fortalecimiento muscular, etc. (estimulación aferente/eferente)

Ejemplos de iniciativas de investigación en el ámbito de la neuroingeniería

En TECNALIA llevamos más de una década trabajando en el ámbito de la neuroingeniería a distintos niveles; desde la investigación en nuevos materiales y tintas para electrodos no-invasivos, fabricación de dispositivos multi-canal miniaturizados, o procesamiento de señales electrofisiológicas basado en técnicas avanzadas de inteligencia artificial.

A continuación, presentamos tres proyectos que muestran la diversidad de tecnologías y aplicaciones que engloba la neuroingeniería:

  • Ismore: TECNALIA ha llevado a cabo este proyecto junto a universidades americanas y europeas, y el hospital universitario de Biodonostia. El objetivo es el de rehabilitar la movilidad del miembro superior de personas que sufren de secuelas crónicas de un ictus. Para ello, se ha desarrollado un sistema capaz de decodificar la intención de movimiento del paciente gracias al uso de tecnología EEG implantada en el cerebro, y al movimiento residual del paciente registrado mediante EMG superficial en el miembro superior. Tras decodificar la intención de movimiento, se controla un robot, que a su vez mueve el brazo y la mano afectados del paciente, y de esta manera se rehabilita la función de una manera intuitiva controlada por el paciente.
  • Chronic Pain: este proyecto europeo se ha llevado a cabo junto a empresas del sector de producto médico y la unidad de dolor del Hospital Ramón y Cajal. El objetivo es identificar aquellos pacientes con dolor crónico de espalda que puedan beneficiarse de la estimulación de médula espinal, la cual se implanta mediante cirugía invasiva. Para ello, se ha desarrollado una tecnología capaz de realizar un análisis de sensibilidad basado en estimulación eléctrica aplicada en las zonas afectadas con dolor y zonas no afectadas por dolor mediante electrodos multi-campo superficiales. Los primeros resultados clínicos han sido prometedores. Actualmente se espera poder validarlo en una mayor muestra de pacientes y ampliar el campo de aplicación para poder beneficiar a pacientes con la sensibilidad afectada debido a otras patologías.
  • Tactility: iniciativa en la que TECNALIA ha colaborado con otras ocho universidades, centros de investigación y empresas europeas para el desarrollo de una nueva tecnología basada en estimulación electro-táctil que permite proporcionar un feedback háptico al usuario en un entorno de realidad virtual. Se ha desarrollado un guante electro-táctil que, junto a un sensor cinemático, identifica las interacciones del usuario en el entorno virtual, y aplica una estimulación que simula el tacto de los objetos virtuales. Este sistema incrementa la experiencia inmersiva en los entornos virtuales. Además del sector del entretenimiento o videojuegos, tiene múltiples aplicaciones diferentes tales como la fabricación industrial o control de robots remotos, hasta aplicaciones sanitarias como el tratamiento de fobias.

EL campo de la neuroingeniería es por tanto un campo de investigación muy vivo que abarca distintas disciplinas y una amplia diversidad de tecnologías con potencial de rehabilitar el sistema nervioso humano en caso de patología, y de interactuar con el sistema nervioso sano para otras aplicaciones tales como el entretenimiento.

Esperamos que este apasionante campo siga contribuyendo a la creación de nuevas soluciones para la mejora de la salud y la calidad de vida humanas durante mucho tiempo.

Eukene Imatz Ojanguren

SOBRE EL AUTOR

Eukene Imatz Ojanguren

Es investigadora senior en el departamento de tecnologías médicas en TECNALIA y miembro del International Functional Electrical Stimulation Society (IFESS).

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Autor:Eukene Imatz Ojanguren
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