El investigador de la UMH asegura que la aplicación de las interfaces cerebrales en la rehabilitación refuerza la comunicación entre el cerebro y los músculos

La irrupción de las interfaces cerebro – máquina en las terapias de pacientes con daños en el sistema nervioso puede aportar muchos beneficios. El primero de ellos, la autonomía. Si una persona puede moverse gracias a la asistencia de un exoesqueleto con “tan solo imaginarlo”, el proceso de rehabilitación se acelera. Eduardo Iáñez (Alicante, 1981), profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Miguel Hernández (UMH) e investigador del grupo Brain-Machine Interface System Lab (BMIS Lab), conoce muy de cerca esta neurotecnología. El experto se encuentra ahora en el Brain Science Institute -Toyota Collaboration Center de Nagoya de Japón trabajando en nuevos planteamientos para mejorar la rehabilitación de pacientes neurológicos.

Eduardo Iáñez en el Brain Science Institute -Toyota Collaboration Center de Nagoya, Japón | Twitter: @BMISLab

¿Qué ventajas introduce una interfaz cerebro – máquina en la neurorehabilitación?

La idea es que la interfaz cerebral lea la intención motora del usuario, genere comandos y envíe esa información al exoesqueleto para que ayude al paciente a realizar un movimiento. Creo que en menos de diez años la mayoría de hospitales contarán con esta tecnología para mejorar ciertas terapias. Sin embargo, para que este sistema llegue a las casas aún falta mucho más. Es evidente que si un paciente, tras su terapia en el hospital, entrena desde su propia casa dedicará más horas y mejorará más, pero un exoesqueleto es demasiado caro. Además, para que el usuario pueda realizar la terapia por su cuenta necesita un gorro de electrodos para medir su actividad cerebral que no requiera asistencia para colocarlo. Es complicado.

Uno de los objetivos de su grupo de investigación es que el paciente esté más integrado en la terapia, ¿cómo beneficia su implicación al proceso de rehabilitación?

Queremos que el paciente no sea pasivo. En el mercado hay exoesqueletos como el Lokomat que ayudan al usuario a que empiece a caminar, pero no es necesaria su implicación a nivel cerebral. Por el contrario, si la terapia exige que la persona esté imaginando cada paso que da y cómo lo hace, la rehabilitación va a ir a mejor porque se fortalece la comunicación entre el cerebro y los músculos.

Asimismo, otra de las ventajas que ofrece este sistema es que el fisioterapeuta no tiene que estar pendiente en todo momento del paciente y puede atender a varias personas a la vez. Al añadir un exoesqueleto a la terapia, la tarea del profesional es entender la situación e indicarle al robot cómo tiene que ayudar a la persona a hacer ciertos movimientos y, de esta manera, el usuario puede realizarlos de forma más automática e independiente.

El trabajo del BMISLab se ha enfocado a dos tipos de pacientes. ¿Qué diferencias hay entre tratar a personas con una lesión en la médula espinal y a las que han sufrido un ictus? 

Si se trata de un daño medular, el cerebro está intacto y toda la información está en su sitio. Por lo tanto, la rehabilitación se enfoca a intentar mejorar la comunicación. En este caso, los primeros seis meses son fundamentales porque es cuando la terapia es más eficaz. A partir de entonces, lo que no se haya mejorado se vuelve prácticamente crónico. Es decir, si un paciente consigue una mejora del 80%, esa es la movilidad que va a tener el resto de su vida. Pero si aplicando nuestro sistema podemos actuar más rápido y llegar a un 90%, aumentamos la calidad de vida de esa persona.

En cambio, si se trata de una persona que ha sufrido un ictus, hay una zona del cerebro que está dañada. Y, o bien esa zona afectada se recupera y reaprende a tomar el control sobre determinado movimiento, o quizás sea otra zona cercana la que empiece a ejercer ese papel. Esto es posible gracias a la plasticidad del cerebro y a su capacidad de volver a crear conexiones neuronales.  Por este motivo, a la hora de colocar un gorro de electrodos a este tipo de paciente se mide la actividad cerebral de toda la cabeza ya que es posible que la zona en la que se encuentre la intención motora haya cambiado.

¿Cómo se reconoce qué señales cerebrales corresponden a la intención motora?

Durante el encefalograma (EEG), centramos nuestra atención en los electrodos que se han colocado en la posición Cz. Se trata de una zona muy estudiada y se sabe que justo debajo de Cz se localiza la parte del cerebro que se encarga del control de las piernas y, si nos movemos un poco hacia la derecha o la izquierda, encontramos las que controlan cada mano. De esta manera, sabemos que es en esos electrodos donde se van a registrar variaciones en las señales. Por lo tanto, si un paciente imagina que mueve la mano derecha, podemos comprobar que, en efecto, se ha activado la zona correspondiente del cerebro. Así es como se distingue cuándo una persona está realizando una tarea de imaginación motora y cuándo no.

Precisamente el proyecto de su grupo de investigación se centra en la mejora de la decodificación de estas señales…

Sí, en el BMIS Lab estamos trabajando para mejorar las características de las señales y usar el mejor clasificador. Para ello, nos apoyamos en el trabajo de nuestra compañera Marisol Rodríguez-Ugarte que trabaja con estimulación eléctrica trascraneal (tDCS), una tecnología que aplica una pequeña corriente eléctrica a un área específica del cerebro. Lo que se consigue con la tDCS es, en definitiva, facilitar la comunicación entre las distintas neuronas. De esta manera, lo que queremos es comprobar si aplicando esta estimulación al usuario le es más sencillo imaginar la tarea que quiere realizar y si se consigue así descodificar la señal con menos error. Esto ayudaría a que el comando que se envía al exoesqueleto sea más fiable.

Entonces, ¿se ha podido probar si esta estimulación tDCS ayuda a que el paciente entrene su habilidad para usar la interfaz cerebral?

Nuestro planteamiento es aplicar durante 10 o 15 minutos esa estimulación tDCS antes de que el paciente realice una prueba de actividad motora. Si bien, no a todos se les aplica la estimulación, a algunos se les suministra una corriente que a los tres segundos se apaga. Todos piensan que reciben estimulación porque así podemos comprobar que no hay un efecto placebo y que funciona.

Los primeros hallazgos muestran que los pacientes a los que no se les aplica estimulación van mejorando – la prueba se repite varios días – hasta alcanzar un determinado valor. Mientras que, si desde un primer momento se suministra estimulación, el paciente ya empieza desde ese nivel. Es decir, si sin estimulación empezamos en un 60 y llegamos a un 70, si hemos aplicado estimulación, ya partimos desde un 70. Aún falta por ver cuánto tiempo se debería aplicar la tDCS, pero gracias a ella podemos ayudar al paciente a que utilice la interfaz cerebral mejor y más rápido.

Ahora mismo se encuentra en el Brain Science Institute -Toyota Collaboration Center de Nagoya, Japón. ¿qué se está investigando allí para mejorar los procesos de rehabilitación?

La investigación se centra más en medir las señales musculares ya que, por ejemplo, las personas que han sufrido un ictus normalmente tienen la fuerza muscular deteriorada. Entonces, si se conoce cómo se está comportando esa fuerza, en un futuro se le podrá enviar esa información al exoesqueleto para que sepa cómo ayudar al usuario. Otra de las líneas de trabajo se ocupa de investigar cómo funciona la comunicación entre el cerebro y los músculos, pasando por la columna vertebral, ya que parte del control motor se lleva a cabo ahí.

Pero también analizan la actividad cerebral; utilizan resonancias magnéticas y una técnica denominada Near-Infrared Spectroscopy (NIRS). Esta última mide con luz infrarroja el flujo de sangre de la superficie cerebral. De esta manera, si se detecta un incremento, significa que hay más actividad en esa parte del cerebro. Este método presenta sus ventajas y desventajas con respecto al encefalograma (EEG) – el método que usamos en el BMIS Lab – puesto que las señales que mide este son más instantáneas. Sin embargo, el flujo de sangre se incrementa unos cuatro segundos después de que el paciente haya utilizado esa zona del cerebro y esto significa que la señal que se mide tiene mucha menos definición. Pero al final son técnicas complementarias y cada una ofrece un tipo de información.

¿Y cuál es su opinión sobre las interfaces cerebrales invasivas o parcialmente invasivas? ¿Qué resultados ofrecen en comparación con las superficiales no-invasivas?

Estos tipos de interfaces suponen un riesgo porque se tiene que operar al usuario para colocarlas y eso genera además problemas éticos. Una interfaz parcialmente invasiva es más superficial, se abre la cabeza y se pone encima del cerebro como una especie de banda cuadrada con electrodos. Se aplica mucho en pacientes con epilepsia para analizar qué zona del cerebro está provocando los ataques.

En cambio, para colocar la invasiva se inserta el electrodo en el cerebro, es del tamaño de un pelo pero tiene muchos sensores y lo que se consigue es medir las neuronas de forma directa, prácticamente una a una. Ya hay casos de personas tetrapléjicas que han conseguido con esta interfaz manejar un brazo robot con cierta soltura o un ratón en la pantalla. Pero presenta el problema de la biocompatibilidad, ya que para el cerebro esa interfaz es algo externo y quizás la ataque. Además, no se sabe cuánto puede durar. Claro que trae ventajas porque mide las neuronas con muchísima precisión, pero al final el beneficio que te aporte tiene que superar por mucho los riesgos que conlleva.

Pero no existen solo las interfaces cerebrales, también se puede emplear la información de los ojos o las manos para controlar un robot. ¿Cómo puede una interfaz multimodal favorecer la terapia de un paciente?

Una interfaz cerebral tiene limitaciones porque una persona puede imaginar tres o cuatro tareas motoras distintas, pero si intenta imaginar más es muy difícil diferenciarlas. Entonces, si queremos manejar un robot a distancia es muy complicado hacerlo con tan solo tres comandos. En este sentido, las interfaces multimodales integran y combinan esta información con otras interfaces alternativas, como puede ser la ocular o la táctil, para crear comandos de mayor nivel.

En el campo de la rehabilitación, el problema que presenta este tipo de interfaz multimodal es que el aprendizaje es mucho más difícil para el usuario y recordemos que la meta de esta tecnología es facilitar su recuperación. Por lo tanto, si el paciente tiene que entrenar dos meses para utilizar una interfaz multimodal, ya ha perdido gran parte de su tiempo de terapia y no tiene sentido.

El BMISLab también investiga sobre la relación entre el arte y el cerebro, ¿qué aplicaciones tiene este nuevo campo neurocientífico?

La investigación a este respecto es muy reciente, pero sí que vemos que la actividad cerebral cambia según lo que estemos pensando o realizando. El mayor inconveniente es cómo representar el arte para saber qué medir. Es decir, si una persona está viviendo un momento de creatividad, hay que tener muy claro justo en qué momento lo ha tenido y definir las señales cerebrales que corresponden a ese instante. Pero todo es muy abstracto, porque tal vez no todo el mundo tenga el mismo tipo de creatividad en la misma zona.

Si bien, las aplicaciones de esto podrían ser muy diversas. Si conocemos la zona del cerebro en la que se genera la creatividad, se podría lograr que una persona sea más creativa con estimulación eléctrica (tDCS). También se pretende investigar si, por ejemplo, personas con alzhéimer pueden mejorar su condición o dejar de empeorar si realizan tareas artísticas. Al fin y al cabo, la meta de relacionar el arte con la neurociencia es mejorar la salud cognitiva de las personas.