Prótesis para dialogar con las neuronas

Investigadores del Instituto Balseiro y del Centro Atómico Bariloche trabajan en el desarrollo de un dispositivo para el tratamiento de trastornos como el párkinson, la epilepsia y otras enfermedades relacionadas con el movimiento. Buscan mejorar el desempeño de las prótesis actuales con un sistema capaz de medir y procesar las señales neuronales.

Por Nadia Luna  
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Agencia TSS – El párkinson es una enfermedad degenerativa crónica del sistema nervioso, que ocasiona temblores y problemas de coordinación, entre otros trastornos relacionados con el movimiento. Ocurre por la muerte de neuronas encargadas de producir dopamina, un neurotransmisor que desempeña funciones clave como la regulación de la actividad motora. Según la Organización Mundial de la Salud, alrededor de 7 millones de personas padecen esta enfermedad en todo el mundo y se estima que el número trepará a 12 millones para 2030.

Todavía no existe una cura para la enfermedad, pero sí hay tratamientos que pueden mejorar la calidad de vida del paciente. Uno de ellos es la estimulación cerebral profunda (DBS, por sus siglas en inglés), que consiste en una neuroprótesis implantada que aplica un estímulo eléctrico al grupo de neuronas afectado por la enfermedad, llamado ganglios de la base, lo que permite reducir los síntomas. Una deficiencia de esta técnica es que los dispositivos actuales aplican el estímulo de forma permanente, ya que no se puede medir el estado de las neuronas en tiempo real para conocer si el efecto es el deseado o si debería aplicarse de manera diferente. En ingeniería esto se conoce como sistema de lazo abierto, porque la información va en una sola dirección.

Con el objetivo de mejorar este tipo de tratamiento, investigadores del Instituto Balseiro (IB) y del Centro Atómico Bariloche (CAB) trabajan en el desarrollo de neuroprótesis adaptativas que podrían utilizarse en el tratamiento de trastornos motores como párkinson, distonías y algunos tipos de epilepsia focal.

La meta de los investigadores de estos organismos dependientes de la la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo) y de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) es lograr un dispositivo implantable de lazo cerrado que, además de modular la actividad de las neuronas, sea capaz de “leer” las señales eléctricas emitidas por ellas y modificar el estímulo en base a esa información: algo así como establecer un diálogo con las neuronas.

“El desafío es tener un dispositivo que sea adaptable y utilice los mismos u otros electrodos para medir la señal eléctrica de la red neuronal y diagnosticar su estado, lo que permitiría decidir qué estimulación aplicar. Producir una estimulación eléctrica permanente, como hacen los dispositivos actuales, no es una estrategia óptima. En cambio, al entregar energía al tejido neuronal solo cuando lo requiere disminuye las probabilidades de producir algún daño”, explicó a TSS el doctor en Ciencias de la Ingeniería Damián Dellavale, director del proyecto. El equipo se completa con los investigadores Germán Mato (codirector) y Eugenio Urdapilleta, y los becarios Osvaldo Velarde y Javier Vélez. El grupo forma parte del área de Física Médica que se está conformando en el CAB.

A partir del desarrollo de un modelo computacional de los ganglios basales, los investigadores buscan registrar y procesar las señales neuronales de esa zona del cerebro. “Reducir la complejidad del algoritmo permite implementarlo en una electrónica de tamaño reducido y realizar el procesamiento en tiempo real. Esto implica una gran diferencia si se quiere pasar a los estudios con modelos animales”, afirmó Dellavale.

Una neuroprótesis es un dispositivo electrónico compuesto por un circuito integrado de aplicación específica y una batería. Es como un microprocesador diseñado a medida para que el consumo de energía sea eficiente y la batería tenga una duración prolongada. “El dispositivo se implanta en la zona clavicular de la persona, en una región cercana a la que se coloca un marcapasos. Desde allí, salen los cables flexibles que van subcutáneamente hasta la región del cerebro donde necesitamos que se aplique la señal eléctrica”, indicó Dellavale, quien agregó que “en la Argentina se realizan alrededor de 150 cirugías al año asociadas a la terapia DBS”.

En la primera etapa del proyecto, los investigadores trabajaron a partir de un modelo computacional y pusieron el foco en tratar de identificar qué rasgos de las señales eléctricas producidas por un grupo de neuronas podrían servir como indicadores del estado de la red neuronal. Los datos aportados por esos biomarcadores permitirían procesar la información proveniente de los ganglios de la base y modificar la administración del estímulo.

El investigador explicó que los resultados obtenidos hasta el momento podrían resumirse en dos aspectos. El primero tiene que ver con un trabajo que publicaron en la revista Plos One: “Los dispositivos actuales aplican la señal eléctrica dentro de un rango de frecuencia específico pero hasta el momento no se pudo explicar por qué cuando se aplica en ese rango funciona, mientras que si se aplica fuera de él incluso puede empeorar los síntomas. El modelo que aplicamos nos permitió plantear una hipótesis para explicar que los trenes de pulsos periódicos en el tiempo son más efectivos que los irregulares”, sostuvo el ingeniero.

El segundo aspecto radica en que lograron reducir la complejidad computacional de un algoritmo capaz de extraer rasgos que permitan identificar el estado de la red neuronal.  Hasta ahora, el algoritmo había sido probado con señales offline, es decir, aquellas extraídas de un paciente que son procesadas posteriormente en una computadora. “Reducir la complejidad del algoritmo permite implementarlo en una electrónica de tamaño reducido y realizar el procesamiento en tiempo real. Esto hace una gran diferencia si se quiere pasar a los estudios con modelos animales”, afirmó Dellavale, y agregó que esa es la etapa que están comenzando actualmente.

Si bien la línea de investigación nació en el contexto de la enfermedad de Parkinson, también está relacionada con otros trastornos neuronales. A partir de un trabajo en colaboración con el equipo de Silvia Kochen, directora del Centro de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos (ENYS–CONICET/Hospital El Cruce/UNAJ), están trabajando en el procesamiento de señales de pacientes con epilepsia para identificar, entre otras cuestiones, rasgos que permitan caracterizar la dinámica espacial y temporal de una crisis. En el ámbito experimental también están iniciando un vínculo con otra institución para investigar con modelos animales de la enfermedad de Parkinson. En paralelo, ya se inició el proceso de patentamiento a nivel nacional a través del CONICET.

“Buscamos establecer colaboraciones con laboratorios de la Argentina. Como ingeniero electrónico mi objetivo es generar las bases de conocimiento para la fabricación de este tipo de dispositivos en Argentina. Lo que pasa es que, a medida que uno avanza en el proyecto, se llega a un punto en el que se hace muy difícil seguir con esfuerzos individuales”, planteó Dellavale, cuyo proyecto recibió financiamiento parcial por parte de la UNCuyo (SeCTyP 05/C016) y de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (PICT-2014-1966). Y concluyó: “Para las instancias posteriores a la de estudios con modelos animales, es necesario que haya una política que promueva este tipo de desarrollos a gran escala y a largo plazo. Hoy el panorama general de la ciencia en la Argentina no es muy motivador en ese sentido pero vamos a continuar avanzando todo lo que sea posible”.

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