El primer brazo robótico exitoso de la historia controlado por la mente sin implantes cerebrales

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PITTSBURGH, 19 de junio de 2019 /PRNewswire/ -- Un equipo de investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, en colaboración con la Universidad de Minnesota, ha dado un gran paso de avance en el campo del control no invasivo de dispositivos robóticos. Utilizando una interfaz cerebro-ordenador (ICO), los investigadores han desarrollado el primer brazo robótico exitoso de la historia controlado por la mente que tiene la capacidad de detectar y seguir continuamente el cursor de un ordenador.

La capacidad de controlar dispositivos robóticos de manera no invasiva solo con los pensamientos tendrá amplias aplicaciones y beneficiará particularmente las vidas de pacientes paralizados o con trastornos del movimiento.

Se ha demostrado que las ICO pueden ser eficaces en el control de dispositivos robóticos utilizando solo las señales que captan de los implantes cerebrales. Cuando los dispositivos robóticos se pueden controlar con una elevada precisión, se pueden utilizar para ejecutar diferentes tareas diarias. Sin embargo, hasta ahora las ICO que controlan con éxito los brazos robóticos han usado implantes cerebrales invasivos. Para la instalación y el control de estos implantes se requiere una cantidad considerable de conocimientos médicos y quirúrgicos, lo cual, unido al coste y a los posibles riesgos, hace que su uso se haya limitado a un pequeño número de casos clínicos.

Un importante desafío que presenta la investigación de las ICO es el desarrollo de tecnologías menos invasivas, o no invasivas en absoluto, que permitan a los pacientes paralíticos controlar su entorno o sus extremidades robóticas solo con sus pensamientos. De desarrollarse con éxito, tales ICO no invasivas constituirían la tecnología que tanto necesitan muchos pacientes, e incluso podrían ser potencialmente beneficiosas para el público general.

Sin embargo, las ICO que usan sensores externos no invasivos en lugar de implantes cerebrales reciben señales "más contaminadas", lo cual trae consigo la resolución más baja y el control menos preciso que existen actualmente. Por tanto, cuando solo se usa el cerebro para controlar un brazo robótico, una ICO no invasiva no se resiste al uso de dispositivos implantados. A pesar de esto, los investigadores de ICO han seguido adelante con la mira en los beneficios de una tecnología menos invasiva, o no invasiva, que pueda ayudar cotidianamente a los pacientes en todas partes.

Bin He, profesor fiduciario y jefe del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Carnegie Mellon, se acerca a esa meta a través de una serie de descubrimientos clave.

"Se han realizado grandes avances en los dispositivos robóticos controlados con la mente usando implantes cerebrales. Se trata de excelencia científica", dijo el Sr. He. "Pero la tecnología no invasiva es la meta final. Los avances en la descodificación neural y la utilidad práctica del control no invasivo de brazos robóticos tendrán importantes implicaciones en el desarrollo de dispositivos neurorrobóticos no invasivos".

Utilizando técnicas novedosas de detección y aprendizaje automático, el profesor He y su laboratorio han podido acceder a señales en lo profundo del cerebro, logrando el control de alta resolución de un brazo robótico. Con técnicas de neuroimagen no invasivas y un novedoso paradigma de seguimiento continuo, el profesor He aborda las señales de EEG ruidosas logrando mejorar significativamente la descodificación neural basada en EEG y facilitando el control bidimensional continuo de dispositivos robóticos en tiempo real.

Utilizando una ICO no invasiva para controlar un brazo robótico que por primera vez en la historia detecta el cursor en la pantalla de un ordenador, el profesor He ha demostrado en sujetos humanos que ahora un brazo robótico puede seguir el cursor de manera continuada. Anteriormente los brazos robóticos controlados por humanos de manera no invasiva seguían un cursor móvil con movimientos bruscos y discretos (como si el brazo robótico intentara "ponerse al día" con las instrucciones del cerebro), mientras que ahora el brazo sigue el cursor de manera fluida y continua.

En un artículo publicado en Science Robotics, el equipo estableció un nuevo marco que aborda y mejora los componentes de "cerebro" y "ordenador" de la ICO mediante el aumento de la participación y formación del usuario, así como la resolución espacial de los datos neurales no invasivos a través de imágenes de EEG.

El artículo, titulado "Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control" (Las neuroimágenes no invasivas aumentan el seguimiento neural continuo para el control de dispositivos robóticos), muestra que el enfoque exclusivo del equipo para resolver este problema no solo mejoró el aprendizaje de la ICO en casi un 60% para las tareas tradicionales de centro hacia afuera, sino también mejoró el seguimiento continuo de un cursor de ordenador en más del 50%.

La tecnología también tiene aplicaciones que podrían ayudar a una gran variedad de personas al ofrecer el "control mental" seguro y no invasivo de dispositivos que pueden permitir a las personas interactuar con sus entornos y controlarlos. Hasta la fecha esta tecnología ha sido probada en 68 sujetos humanos no discapacitados (hasta 10 sesiones para cada sujeto), evaluándose el control virtual de dispositivos y el control de un brazo robótico para efectuar el seguimiento continuo. La tecnología es directamente aplicable a los pacientes y el equipo tiene previsto realizar ensayos clínicos en un futuro cercano.

"A pesar de las dificultades técnicas asociadas al uso de señales no invasivas, estamos plenamente comprometidos con llevar esta tecnología segura y económica a quienes pueden aprovecharla", dijo el Sr. He. "Este trabajo constituye un paso importante en las interfaces cerebro-ordenador no invasivas, una tecnología que, como los teléfonos inteligentes, está destinada a convertirse en la tecnología de asistencia predominante que todo el mundo utilizará".

Este trabajo estuvo respaldado en parte por el Centro Nacional de Salud Complementaria e Integral (NCCIH, por sus siglas en inglés), el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos e Ictus, el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería y el Instituto Nacional de Salud Mental.

Acerca de la Facultad de Ingeniería: La Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon es un centro de ingeniería de primer nivel, reconocido por su enfoque intencional en la colaboración interdisciplinaria para la investigación. Esta facultad goza de un gran reconocimiento por su dedicación a la solución de problemas de importancia científica y práctica. Nuestra cultura de "creadores" está presente en todo lo que hacemos y nos conduce a enfoques novedosos y a resultados transformadores. Nuestro aclamado profesorado se centra en la gestión de la innovación y en la ingeniería para producir resultados transformadores que impulsarán la vitalidad intelectual y económica de nuestra comunidad, nuestra nación y el mundo.

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