Prótesis robóticas: cómo el cerebro interpreta la sensación de movimiento en una mano artificial
Un estudio publicado en Science Advances evaluó una interfaz sensorial en un paciente amputado y analizó su respuesta ante la apertura y cierre de esta extremidad. Las claves de un avance que podría mejorar el control intuitivo de estos dispositivos
Por Constanza Almirón
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El cerebro procesa la sensación de movimiento en prótesis como un patrón coordinado, similar a los gestos integrados de una mano natural, y no como señales independientes dedo por dedo. Esa es la principal conclusión de un estudio encabezado por la Escuela Superior Sant’Anna de Pisa en colaboración con Cleveland Clinic, con resultados publicados en Science Advances.
El trabajo describió que, cuando una persona recibe información “sensorial” desde una prótesis de miembro superior, el cerebro tiende a organizarla como sinergias de agarre: combinaciones habituales de movimiento (por ejemplo, abrir la mano, cerrar la mano o sostener un objeto) que en la vida cotidiana se ejecutan como un todo.
Según Cleveland Clinic, este hallazgo podría facilitar el desarrollo de prótesis con un manejo más intuitivo y, en el futuro, aportar ideas para la rehabilitación tras un accidente cerebrovascular (ACV), para el estudio de la epilepsia y para el tratamiento del dolor.
La investigación se centró en la cinestesia, es decir, la capacidad de sentir el movimiento muscular. Esa sensación —que en una mano intacta permite ajustar fuerza y posición sin mirar— es esencial para el control motor natural. Después de una amputación, esa referencia interna se pierde y, por eso, usar una mano robótica de forma “instintiva” resulta más difícil: el usuario puede moverla, pero le falta parte del “retorno” que normalmente guía el gesto.
Los investigadores combinaron datos de lo que Cleveland Clinic describió como las dos únicas interfaces neurales del mundo diseñadas para restaurar la sensación cinestésica en prótesis de miembro superior. Al comparar ambos enfoques, concluyeron que el cerebro parecía interpretar esa información como patrones coordinados de agarre y no como impulsos aislados.
Una clave del problema es que ciertas técnicas, como las vibraciones musculares, pueden generar percepción de movimiento, pero a menudo estimulan al mismo tiempo piel y músculo. Ese solapamiento puede “mezclar” la información y confundir al cerebro durante el uso de una prótesis: como si el sistema nervioso recibiera dos mensajes superpuestos a la vez, uno táctil y otro de movimiento.
Para abordar ese límite, Sant’Anna desarrolló la interfaz mioquinética cinestésica, un sistema bidireccional para prótesis de mano. La tecnología usa vibraciones generadas por pequeños imanes implantados en los músculos residuales del antebrazo para intentar reconstruir sensaciones naturales de movimiento.
El sistema se integró con la mano robótica Mia Hand, desarrollada por Prensilia, empresa derivada de Sant’Anna. Luego, el equipo evaluó la conexión entre la mano y el cerebro durante seis semanas en un paciente italiano de 34 años.
Durante el ensayo, el paciente percibió la apertura y el cierre de la mano como movimientos coordinados, muy parecidos a los reales. Esa respuesta coincidió con la hipótesis central del estudio: el cerebro no “lee” el movimiento protésico como piezas sueltas, sino como gestos completos, del mismo modo en que una persona reconoce una palabra sin analizar letra por letra.
Federico Masiero, primer autor del estudio, exdoctorando de Sant’Anna y ahora investigador posdoctoral en el Instituto de Robótica e Inteligencia de Máquinas de Múnich, dijo a Cleveland Clinic que la interfaz “usa un implante simple y mínimamente invasivo para estimular músculos sin tocar la piel”.
Masiero añadió que “este enfoque puede ser la clave para entender mejor cómo funciona el control motor humano, pero también cómo restaurar la sensación de movimiento tras una amputación”.
Las sensaciones coordinadas percibidas por el paciente se parecieron a las descritas por participantes que utilizaron otro sistema de retroalimentación cinestésica desarrollado por Cleveland Clinic, aunque ambos dispositivos tenían diseños diferentes.
La interfaz de Sant’Anna se basó en imanes implantados. La de Cleveland Clinic recurrió a redirección quirúrgica de nervios y robótica. Sin embargo, en los dos casos el mecanismo central fue la vibración específica de músculos profundos. Y el resultado perceptivo también coincidió: las sensaciones inducidas aparecieron como movimientos coordinados de los dedos y no como señales separadas.
El Proyecto de Investigación Científica y Tecnológica (PICT) que busca analizar las características de la lágrima sigue recibiendo a personas voluntarias interesadas en hacer su aporte, que permitirá mejorar el abordaje y tratamiento de patologías ocularesmediante un dispositivo médico.
Pueden participar personas de entre 18 y 80 años, de lunes a viernes de 9 a 17 en el Laboratorio de Prototipado Electrónico & 3D ubicado en el Centro de Medios del Campus de la UNER en Oro Verde. El único requisito es reservar turno previo a través de este sencillo formulario.
El director del Proyecto de Investigación es el bioingeniero y doctor en Ingeniería, Martín Zalazar. En una entrevista con los programas Primera Mañana, de LT14 Radio Nacional Paraná, y Aire Nacional (un ciclo que se emitía hasta días atrás por la TV Pública) explicó cómo se realiza el simple procedimiento para el que necesitan en total 300 personas voluntarias y del que participaron hasta el momento unas 200.
No lleva más de 10 minutos. La persona voluntaria recibe las explicaciones e instrucciones del equipo, firma un breve cuestionario sobre su salud y actividad ocular y luego se realiza la recolección del líquido.
“La técnica es muy sencilla: consiste en no pestañear. La persona voluntaria se sostiene el ojo abierto con los dedos y cuando se empieza a secar, genera lágrimas, de las que se toma la muestra”, relató
Las lágrimas se recogen con un capilar, un pequeño cilindro de vidrio, que se apoya sobre la comisura lateral en el costado del ojo. Se inclina la cabeza y se toma la muestra, que es de apenas unos 50 mililitros: tres o cuatro lágrimas.
Soluciones en salud ocular
Zalazar destacó la importancia del dispositivo médico que motiva el estudio. “En este pequeño gran paso abordamos el Síndrome del Ojo Seco, la más frecuente de las patologías oculares. No hay registro de que se hayan medido hasta ahora los parámetros que estamos midiendo. Y el dispositivo tiene capacidad de abordar muchas patologías más”, expuso. “Los interesados no son sólo oftalmólogos sino todos los médicos”, añadió el director de la iniciativa.
El bioingeniero de la UNER anticipó que esperan tener los resultados del estudio a fin de año y lograr una publicación científica internacional. Es uno de los pasos centrales del proyecto, que tiene por objetivo la creación de una empresa de base tecnológica basada en microdispositivos y biosensores para abordar patologías oculares.
La necesidad del Estado
El profesor e investigador del Conicet en el Laboratorio de Prototipado Electrónico resaltó que desde este espacio se realizan muchos desarrollos en búsqueda de soluciones en el ámbito de la salud. “La ciencia y la investigación, no sólo en Argentina, necesitan una fuerte impronta y presencia del Estado. Así es en el mundo. El privado no suele hacer investigación básica”.
El investigador y docente de la FIUNER contó que vivió en Nueva York dos años. “Estuve investigando para una Universidad y los fondos se consiguen en distintas agencias estatales. Tengo la esperanza de que la situación actual se vaya acomodando y podamos seguir avanzando en proyectos en la Facultad”, concluyó en relación a los recortes presupuestarios vigentes en educación superior, ciencia y tecnología por parte del Gobierno Nacional.
Sobre el director
Martín Zalazar es bioingeniero (FI-UNER, 2007) y doctor en Ingeniería como becario CONICET (FICH-UNL, 2013). Profesor Adjunto en la Facultad de Ingeniería e investigador Asistente (Conicet), desarrolla sus actividades en el Laboratorio de Prototipado Electrónico & 3D y dirige el Grupo de Investigación en Microfluídica (FI-UNER). Recibió el premio a mejor Tesis de Doctorado 2014 de la provincia de Santa Fe. Realizó parte de su doctorado en Argonne National Laboratory, EE.UU. (2011-2012) con una beca Fulbright para investigadores y tuvo una estancia posdoctoral en la University of Texas-Dallas, EE.UU. (2018).
Uno de los ejes fundamentales de trabajo en la Facultad de Ingeniería es la investigación, que impulsa a la búsqueda y producción de nuevos conocimientos en la actividad académica. La institución ha propiciado la conformación de Grupos y Laboratorios de Investigación y Desarrollo. Uno de estos lugares de creación de conocimiento científico es el Laboratorio de Química Ambiental.
Está conformado por docentes, investigadores y estudiantes que se abocan a la indagación sobre la contaminación ambiental y la aplicación de tecnologías medioambientales para su tratamiento y posible remediación. Además brinda servicios a terceros que necesiten conocer el estado medioambiental de distintas muestras.
El Laboratorio está dirigido por el Dr. Enrique Paravani, quien recordó que el espacio de trabajo surgió en 2018 con el fin de estudiar cuestiones ambientales en diferentes matrices, ya sea agua, suelo o aire. Cuenta con docentes e investigadores de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad Autónoma de Entre Ríos (UADER), del Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) y de la Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional del Litoral (UNL). Sostiene un trabajo multidisciplinario con biotecnólogos, doctores en Ciencias Biomédicas, bioquímicos, ingenieros agrónomos y estudiantes de grado de Boingeniería, Licenciatura en Bioinformática e Ingeniería en Transporte.
Sobre los distintos proyectos, una de las integrantes del equipo, la Dra. Mariana Bianchi, explicó: “Tenemos diferentes líneas de investigación. Una de ellas es el análisis de agroquímicos. Además, el año pasado surgió una nueva línea que es la fitorremediación a través de plantas acuáticas, para remediar efluentes porcinos. Esto tiene dos propósitos, fitorremediar y bajar la carga biológica del efluente. Eso permite arrojarlo a un arroyo o usarlo para riego y después la posibilidad de hacer un extrusado para darles de comer a los cerdos como suplemento de su dieta, ya que tiene mucho fósforo y nitrógeno”.
Además, están comenzando una nueva línea de investigación sobre cannabis. El objetivo es instalar un laboratorio para extraer y analizar la resina y los aceites medicinales de las producciones que realizan asociaciones de cultivos y autocultivadores. “Nuestra idea es brindar este servicio y certificar la calidad y la cantidad de cannabinoides y los compuestos orgánicos que están en la planta”, concluyó Bianchi.
Cabe destacar que también brindan servicios. “Estamos avalados por la Secretaría de Ambiente de la provincia. Todos los efluentes que se necesitan estudiar llegan a nosotros para realizar los exámenes correspondientes y así proporcionar un diagnóstico. Hoy el Laboratorio de Química Ambiental es el lugar de referencia a nivel provincial para hacer justamente esos análisis”, comentó Enrique Paravani.
Laboratorio vinculado a los Objetivos de Desarrollo Sostenible
Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) son 17 metas globales interconectadas diseñadas por la ONU como un plan para lograr un futuro mejor y más sostenible. Los ODS fueron establecidos en 2015 por la Asamblea General de las Naciones Unidas y están incluidos en una Resolución que se conoce coloquialmente como Agenda 2030. Establece para los países miembros de las Naciones Unidas una serie de compromisos y desafíos que estos países deben tomar para mejorar la calidad de vida de todos los habitantes.
Varios de estos Objetivos están relacionados con la educación y la investigación, sectores en los que las universidades tienen un papel directo. La Universidad Nacional de Entre Ríos (UNER) en conjunto con el Gobierno de la provincia trabajan en la formación con respecto a los ODS y en el desarrollo de los mismos.
“En el 2021 nos convocaron desde la Universidad a los diferentes laboratorios para proponer aportes a los ODS. Ahí particularmente me empecé a interesar encómo se podían relacionar con nosotros. Cuando los evaluás, encontrás que el Objetivo 6 encaja directamente con el trabajo del laboratorio en Salud y Ambiente”, concluyó Enrique.
El Objetivo 6: “Agua limpia y saneamiento”, apunta a que se garantice la disponibilidad de agua potable y su gestión sostenible para todos los habitantes. Si bien se ha conseguido ampliar el acceso, aún existen miles de personas que carecen de estos servicios básicos esenciales para prevenir y contener las enfermedades.
Un laboratorio, diversos fines
El Laboratorio tiene distintos objetivos,uno de ellos es aportar a problemáticas ambientales, estudiarlas, generar datos robustos y que así se puedan generar políticas. “Vemos importante también incentivar a los más jóvenes a que se interesen, para nosotros es enriquecedor ya que cada persona que se suma tiene una mirada distinta y nuevos conocimientos”, argumentó Enrique Paravani.
Finalmente, Mariana Bianchi expresó: «Nosotros bregamos por tener un vínculo con los productores, mostrarles los problemas que se están generando, proponerles estrategias e incentivarlos con la biorremediación. Y también en este sentido, comunicar nuestros hallazgos a la población en general va a ayudar a que las personas tengan más información”.
Científicas de la Universidad Nacional de San Martín (UNSAM) y el Conicet desarrollan bioplásticos para aplicaciones médicas que son degradados y reabsorbidos por el organismo sin generar efectos adversos. A su vez, pueden ser utilizados de la misma manera que los plásticos convencionales en hilos de sutura, en la regeneración de tejidos o en la producción de partículas para que los fármacos se dirijan al lugar específico donde deben hacer efecto. Su producción podría reemplazar a los materiales tradicionales y favorecer la lucha contra el cambio climático.
Así lo explica Daiana Nygaard, biotecnóloga y doctora en Ciencias Aplicadas y de la Ingeniería de la UNSAM: “Dentro de los biopolímeros (moléculas producidas por los seres vivos con características similares a los plásticos convencionales) se encuentra un grupo llamado ‘Polihidroxialcanoatos’. Cuando los extraemos, obtenemos un plástico que es muy flexible y puede ser utilizado para diferentes industrias. La ventaja que presenta es que es biodegradable y reabsorbible por el mismo organismo que lo crea, sin efectos adversos”.
Al ingresar al cuerpo, este tipo de plástico se descompone y se transforma en pequeñas moléculas que son absorbidas. En caso que el organismo las rechace, lo hace sin provocar ningún tipo de complicación.
A diferencia de otros materiales, el plástico no se degrada y se acumula en el ambiente cuando se tira. Las consecuencias son conocidas: deterioran los suelos, asfixian la fauna marina, envenenan las aguas subterráneas, contaminan el aire, contribuyen al cambio climático y afectan la salud humana. Según el Programa para el Medio Ambiente de la ONU, la humanidad produce más de 430 millones de toneladas de plástico al año, de las cuales el 65 por ciento son de vida útil corta, es decir, que se convierten rápidamente en desechos y terminan en mares, océanos o basurales.
Bacterias como fábricas
Que estos plásticos sean biodegradables, reabsorbibles y cumplan las mismas funciones que los convencionales, hace que crezca cada vez más la demanda a nivel mundial. Al respecto, Nygaard agrega: “Otra propiedad que tienen es que las células se adhieren bien a estos plásticos. Entonces, si el objetivo es regenerar tejidos, podemos utilizarlos como una especie de matriz o de suelo donde las células puedan proliferar, crecer y degradar estos materiales. Todo esto hace que se vuelvan cada vez más atractivos debido a lo específicos que son”.
Dentro del Laboratorio de Biomateriales, Biomecánica y Bioinstrumentación que pertenece al Instituto de Tecnologías Emergentes y Ciencias Aplicadas (UNSAM-Conicet), la científica produce estos plásticos degradables a partir de dos bacterias, una comercial y otra que fue aislada por el equipo de investigación en el Río Reconquista.
“Hacemos que las bacterias crezcan, se reproduzcan y almacenen este plástico. Además, variamos las condiciones de cultivo para que produzcan materiales con mayor o menor degradación, dependiendo de la aplicación que se desee”, detalla Nygaard. Y continúa: “Luego, otras áreas del Laboratorio procesan los plásticos e identifican sus propiedades mecánicas para dar cuenta de qué tipo de aplicación médica o farmacéutica se hará. Es muy importante a la hora de sacar el plástico de la bacteria que se limpien todos los restos para no generar complicaciones”.
Valor agregado
La intención del Laboratorio es generar este tipo de plásticos a gran escala para mantener la producción en el tiempo y ampliar las capacidades científicas y medicinales del país y la región. En este marco, la bacteria aislada por el grupo de investigación cobra más importancia ya que, “en caso de que la producción escale y pueda transferirse, no sería necesario pagar regalías”, enfatiza la científica.
Por su parte, Élida Hermida, directora del Laboratorio y docente de la UNSAM, subraya: “El objetivo es sustituir importaciones y generar productos con alto valor agregado que también puedan exportarse. Hacer este trabajo en la Universidad Pública hace que estemos a la altura de los desarrollos que se llevan adelante a nivel internacional ya que la medicina regenerativa y la ingeniería de tejidos vinieron para quedarse”.
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