Biónica

Bió-ni-ca

Etimología: de bios (“vida”) y ónica, como en electrónica; el estudio de sistemas mecánicos que funcionan como organismos vivos o como partes de ellos.

Por Josh Fischman

Al entrar al salón en el Centro de Aprendizaje Kiddie Kottage, cerca de Knoxville, Tennessee, Amanda Kitts se ve de pronto rodeada por niños de cuatro y cinco años. “Hola niños, ¿cómo están hoy mis bebés?”. Esbelta y energética, Amanda ha dirigido esta y otras dos guarderías durante casi 20 años. Pone las manos sobre las rodillas y se inclina para hablar con una niña pequeña.

“¡El brazo robot!”, gritan varios niños.

“¿Ah, lo recuerdan?”, dice Kitts, extendiendo su brazo izquierdo. Pone la palma de su mano hacia arriba. Hay un leve zumbido. Si uno no prestara mucha atención, no lo oiría. Dobla su codo y lo acompañan más zumbidos.

“¡Haz que haga algo chistoso!”, dice una niña.

“¿Chistoso? ¿Recuerdas cómo puedo estrechar tu mano?”, pregunta Amanda Kitts, extendiendo su brazo y rotando la muñeca. Un niño acerca la mano para tocarle los dedos. Lo que roza son unos dedos de plástico color piel, doblados ligeramente hacia adentro. Debajo hay tres motores, un armazón de metal y una sofisticada red electrónica. Hasta arriba de este montaje hay un recipiente blanco de plástico, a la mitad del bíceps de Kitts, rodeando el muñón, casi todo lo que queda del brazo que perdió en un accidente automovilístico en 2006.

Casi, pero no todo porque, en su cerebro, de manera inconsciente, vive una imagen intacta de ese brazo, un fantasma. Cuando Kitts piensa que flexiona el codo, el fantasma se mueve. Los impulsos que van de su cerebro hacia abajo a gran velocidad son recogidos por sensores de electrodos localizados en el recipiente blanco, donde se convierten en señales que mueven los motores y el codo artificial se dobla.

“No pienso en ello. Sólo lo muevo –dice esta mujer de 40 años, quien además de este modelo estándar usa otro más experimental, que le brinda un control aún mayor–. Después de mi accidente me sentí perdida. Ahora estoy emocionada porque siguen mejorando el brazo. Algún día podré sentir con él y usarlo para aplaudir al ritmo de las canciones de mis niños”.

Kitts es una prueba viviente de que aun cuando carne y hueso hayan sido dañados o destruidos, los nervios y las partes del cerebro que los controlaban siguen vivos. Usando electrodos microscópicos y magia quirúrgica, los doctores han empezado a conectar estas partes a dispositivos como cámaras, micrófonos y motores. Gracias a esto, hay ciegos que pueden ver y sordos que escuchan. Y Kitts puede doblar sus blusas.

Las máquinas que usan se llaman prótesis neurales o biónicas, término popularizado por la ciencia ficción al que los científicos se han acostumbrado. Eric Schremp, quien quedó tetrapléjico cuando se destrozó el cuello al tirarse un clavado en una alberca en 1992, ahora tiene un dispositivo electrónico debajo de la piel que le permite mover los dedos para tomar un tenedor. Jo Ann Lewis, una mujer ciega, puede ver las siluetas de los árboles con la ayuda de una cámara diminuta que se comunica con su nervio óptico. Y Tammy Kenny puede hablarle a su hijo de 18 meses, Aiden, y él puede contestarle, porque el niño, quien nació sordo, tiene 22 electrodos dentro de su oído que transforman los sonidos recogidos por un micrófono en señales que su nervio auditivo puede entender.

Así como han aprendido que es posible conectar la máquina con la mente, los científicos también se han dado cuenta de lo difícil que es mantener esa conexión. Por ejemplo, basta con que el vaso del brazo de Kitts se mueva un poco, para que quizá ya no pueda cerrar los dedos. Aún así, la biónica es un gran avance que permite a los investigadores devolverle a la gente, como nunca antes fue posible, gran parte de lo que perdió.
“En realidad, es de lo que se trata este trabajo: restauración –dice Joseph Pancrazio, director del programa de ingeniería neural en el Instituto Nacional de Desórdenes Neurológicos y Apoplejías–. Mi definición del éxito es que una persona con daño en médula espinal pueda ir a un restaurante y comer sin ayuda”.

Los estantes de la oficina de Robert Lipschutz, en el Instituto de Rehabilitación de Chicago (RIC, por sus siglas en inglés), están llenos con la historia de varios intentos de restauración del cuerpo usando manos, piernas y pies hechos por el hombre. “La tecnología básica de los brazos prostéticos no ha cambiado mucho en los últimos 100 años –dice–. Los materiales sí son distintos, usamos plástico en lugar de cuero, pero la idea básica es la misma”. Lipschutz toma un armazón de plástico de una repisa.

Es un brazo izquierdo con todo y hombro. El hombro es una especie de peto que se asegura al pecho con un arnés. El brazo, con bisagras que se unen al hombro y al codo, termina en una pinza metálica. Para extender el brazo, la cabeza se gira a la izquierda y con la barbilla se oprime un botón. Es tan incómodo como suena. Y pesado. Después de 20 minutos el cuello duele por culpa de la postura extraña y el esfuerzo de presionar las palancas. Muchos amputados terminan descartando este tipo de brazos.

“A veces me es difícil darle estos dispositivos a la gente –dice Lipschutz–, porque no sabemos si realmente ayudarán”. Según él y otros del ric, lo que podría ser más útil es el tipo de prótesis que Amanda Kitts se ha ofrecido a probar: controladas por el cerebro, no por otras partes del cuerpo. Una técnica llamada restauración nerviosa muscular dirigida usa los nervios que quedaron tras la amputación para controlar un miembro artificial. Se probó por primera vez en un paciente en 2002. Cuatro años más tarde Tommy Kitts, esposo de Amanda, leyó sobre la nueva técnica en Internet mientras su esposa yacía en un cuarto de hospital después de su accidente.

“Parecía la mejor opción disponible, muy por encima de motores e interruptores –dice Tommy–. De hecho, Amanda se emocionó con la idea”. Al poco tiempo estaban a bordo de un avión rumbo a Illinois.

Todd Kuiken, médico e ingeniero biomédico del ric, fue el responsable de lo que el instituto había empezado a llamar el “brazo biónico”. Él sabía que los nervios en el muñón todavía pueden transmitir señales del cerebro. Y que una computadora dentro de una prótesis puede dirigir motores eléctricos para que muevan el miembro. El problema era hacer la conexión. Los nervios conducen la electricidad, pero no se pueden unir a un cable de computadora (las fibras nerviosas y los cables metálicos no se llevan bien. Una herida abierta para que un cable entre al cuerpo sería una vía de entrada peligrosa para las infecciones).

Kuiken necesitaba un amplificador que aumentara la intensidad de las señales de los nervios y evitara la necesidad de unir estos directamente con los cables de la computadora. Encontró un amplificador en los músculos. Cuando los músculos se contraen, disparan una ráfaga eléctrica suficientemente fuerte para ser detectada por un electrodo colocado en la piel. Kuiken desarrolló una técnica para desviar nervios rotos de las partes dañadas hacia otros músculos que dieran la intensidad apropiada a las señales.

En octubre de 2006, Kuiken se dispuso a renovar el cableado de Amanda Kitts. El primer paso era rescatar los nervios más importantes que alguna vez recorrieron todo su brazo. Los nervios nacían en el cerebro de Kitts, en la corteza motora, que tiene un mapa aproximado del cuerpo, pero se detenían al final de su muñón. En una operación complicada, un cirujano desvió esos nervios hacia diferentes regiones de los músculos en el muñón. Durante meses los nervios crecieron, milímetro a milímetro, adentrándose más en sus nuevos hogares.

“A los tres meses comencé a sentir pequeños espasmos y cosquilleos –dice Kitts–. A los cuatro meses podía sentir realmente distintas partes de mi mano al tocar lo que quedó de mi brazo. Podía tocarlo en distintos lugares y sentir diferentes dedos”. Lo que estaba sintiendo eran partes del brazo fantasma, dibujado en su cerebro, ahora reconectadas a su cuerpo. Cuando Kitts pensaba en mover esos dedos fantasmas, los músculos de la parte real de su brazo se contraían.

Un mes después se le colocó su primer brazo biónico, que tenía electrodos en el recipiente que rodeaba el muñón para captar las señales de los músculos. Ahora el reto era convertir esas señales en órdenes que movieran codo y mano. Una tormenta de ruido eléctrico salía de la pequeña región en el brazo de Kitts. En algún lugar se encontraba la señal que significaba “endereza el codo” o “gira la muñeca”. Hubo que programar un microprocesador en la prótesis para que atrapara la señal correcta y la enviara al motor adecuado.

Lo que ha permitido encontrar esas señales es el brazo fantasma de Kitts. En un laboratorio del ric, el ingeniero Blair Lock afina la programación. Hace que Kitts se quite el brazo artificial para cubrir su muñón con electrodos. Ella se pone de pie frente a una gran pantalla plana de televisión que muestra un brazo incorpóreo color carne flotando en un espacio azul: una visualización de su fantasma. Los electrodos de Lock recogen órdenes del cerebro de Kitts que llegan hasta el muñón y el brazo virtual se mueve.
En un murmullo, para no romper la concentración de Kitts, Lock le dice que gire su mano, con la palma hacia adentro. En la pantalla, la mano gira, con la palma hacia adentro. “Ahora extiende tu muñeca, palma hacia arriba”, le indica Lock. La mano de la pantalla se mueve. “¿Salió mejor que la última vez?”, pregunta ella. “Oh, sí. Señales fuertes”. Kitts se ríe. Ahora Lock le pide alinear su pulgar con los otros dedos. La mano de la pantalla obedece. Kitts abre los ojos de par en par. “¡Vaya! ¡No sabía que podía hacer eso!”. Una vez que se identifican las señales musculares asociadas con un movimiento en particular, se programa la computadora del brazo artificial para buscarlas y activar el motor correcto.

Kitts practicó con su nuevo brazo en un piso debajo de la oficina de Kuiken, en un departamento arreglado con todo lo que un amputado recién equipado podría necesitar: una cocina con estufa, cubiertos en un cajón, una cama, un armario con ganchos, un baño, escaleras; son cosas que la gente usa todos los días sin pensarlo, pero que representan enormes obstáculos para alguien que carece de un miembro. Ver a Kitts preparar un sándwich de crema de maní en la cocina es sorprendente. Con la manga enrollada para mostrar el miembro de plástico, sus movimientos son fluidos. Su brazo vivo sostiene una rebanada de pan, sus dedos artificiales toman un cuchillo, el codo se dobla y la crema se unta de un lado a otro del pan.

“Al principio no era fácil –dice Kitts–. Intentaba moverlo y no siempre iba hacia donde quería”. Pero practicó y, mientras más usaba el brazo, más auténticos se sentían los movimientos. Lo que a ella le gustaría mucho ahora es tener sensibilidad. Sería de gran ayuda para varias tareas, incluyendo una de sus favoritas: tomar café.

“El problema con los vasos de cartón que se usan para el café es que mi mano se cerrará hasta tener un agarre sólido. Pero con un vaso de cartón el agarre nunca es sólido –explica Kitts–. Eso me pasó una vez en Starbucks. Apretaba y apretaba hasta que el vaso hizo ‘pop’”.

Hay una buena posibilidad de que ella adquiera sensibilidad. Junto con el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, el ric ha estado desarrollando un nuevo prototipo para Kitts y otros pacientes que no sólo tiene más flexibilidad –más motores y articulaciones–, sino que cuenta con almohadillas en las puntas de los dedos que sirven para sentir presión. Las almohadillas se conectan a unas pequeñas barras semejantes a pistones que tocan el muñón de Kitts. Mientras más dura sea la presión, más fuerte es la sensación en sus dedos fantasma.

“Puedo sentir qué tan duro es mi agarre”, agrega Kitts. También puede sentir la diferencia entre frotar algo áspero, como una lija, y algo suave, como el vidrio, por la velocidad a la que vibran las barras. “Quiero que ya me lo den para poder llevármelo. Pero es mucho más complicado que el brazo que sí me llevo a casa, así que todavía no es completamente confiable”.

A diferencia de Kitts, Eric Schremp no necesita manos artificiales. Sólo que sus manos naturales funcionen. No lo habían hecho desde que se rompió el cuello en 1992 y quedó tetrapléjico. Sin embargo, ahora este cuadragenario de Ohio puede tomar un cuchillo o un tenedor, gracias a un implante desarrollado por Hunter Peckham, ingeniero biomédico de la Universidad Case Western Reserve, en Cleveland. “Nuestra meta es restablecer el agarre de la mano –dice Peckham–. El uso de las manos es clave para ser independiente”.

Los músculos de los dedos de Schremp y los nervios que los controlan todavía existen, pero las señales del cerebro se truncan en el cuello. El equipo de Peckham extendió ocho electrodos microdelgados, desde el pecho de Schremp, que pasan por debajo de la piel de su brazo derecho y llegan hasta los músculos en los dedos. Cuando un músculo en su pecho se contrae, dispara una señal que se envía con un transmisor de radio a una pequeña computadora que cuelga de su silla de ruedas. La computadora interpreta la señal y la devuelve por radio al receptor implantado en el pecho, donde la señal viaja a través de cables por el brazo de Schremp hasta su mano. Ahí, la señal le dice a los músculos de los dedos que se cierren y aprieten. Todo sucede en un microsegundo. “Puedo tomar un tenedor y alimentarme –dice Schremp–. Eso significa mucho”.
Cerca de 250 personas han sido tratadas con esta técnica, pero todavía es experimental. Sin embargo, otro dispositivo biónico ha mostrado que el matrimonio entre mente y máquina puede ser poderoso y duradero; se ha implantado en casi 200 000 personas alrededor del mundo durante los últimos 30 años. Es el implante coclear. Aiden Kenny está entre sus usuarios más recientes. Su madre, Tammy Kenny, recuerda cómo hace un año se enteró de que a su bebé no podían ayudarlo los aparatos auditivos.
“Yo sólo lloraba y lo abrazaba –recuerda Tammy–, y sabía que no podía escucharme. ¿Cómo llegaría jamás a conocerme? Una vez, mi esposo golpeó dos cacerolas, esperando alguna respuesta”. Aiden nunca oyó el ruido.

Ahora el bebé sí logra escuchar el golpe de las cacerolas. En febrero de 2009, cirujanos del Hospital Johns Hopkins le implantaron sinuosas líneas con 22 electrodos en cada cóclea, parte del oído interno que suele detectar las vibraciones sonoras. En Aiden, un micrófono recoge sonidos y manda señales a los electrodos, que las transmiten directamente a los nervios.

“El día que pusieron a funcionar el implante, un mes después de la cirugía, notamos que respondió al sonido –dice Tammy Kenny–. Volteó con el sonido de mi voz. Fue asombroso”. Hoy, dice, con la ayuda de terapia intensiva, empieza a comprender el lenguaje y va alcanzando rápidamente a otros bebés que sí pueden oír.

A estos oídos biónicos probablemente les sigan los ojos biónicos. Jo Ann Lewis perdió la vista hace años debido a la retinosis pigmentaria, enfermedad degenerativa que destruye las células de los ojos encargadas de detectar la luz, denominadas conos y bastones. No obstante, hace poco recuperó parcialmente la visión gracias a los resultados de la investigación de Mark Humayun, oftalmólogo de la Universidad del Sur de California, y a una compañía llamada Second Sight.

Como suele suceder con esta enfermedad, parte de una capa interior de la retina de Jo Ann ha sobrevivido. Esta capa, llena de células bipolares y ganglionares, normalmente reúne señales de conos y bastones externos y las transmite a fibras que se fusionan con el nervio óptico. Nadie sabía en qué idioma hablaba la retina interior, o cómo darle imágenes que pudiera entender. Pero en 1992, Humayun empezó a colocar una diminuta matriz de electrodos en las retinas de pacientes con retinitis pigmentaria que fueron intervenidos quirúrgicamente por otras razones.

“Les pedimos que siguieran un punto y lo hicieron –dice Humayun–. Podían ver filas y columnas”. Después de otra década de pruebas, Humayun y sus colegas desarrollaron un sistema que llamaron Argos (en la mitología griega, gigante con cientos de ojos). Los pacientes recibían un par de anteojos oscuros con una pequeña cámara de video montada en ellos, junto con un transmisor. Las señales de video se enviaban a una computadora que los pacientes llevaban sujeta a un cinturón; esas señales se traducían en patrones de impulsos eléctricos que las células ganglionares podían entender, y después se transmitían a un receptor colocado detrás de la oreja. De ahí, un cable las llevaba dentro del ojo, a una matriz cuadrada de 16 electrodos delicadamente sujeta a la superficie de la retina. Los impulsos disparaban los electrodos. Los electrodos encendían células. Luego, el cerebro hacía el resto permitiendo a estos primeros pacientes ver contornos y algunas formas burdas.

En otoño de 2006, Humayun, Second Sight y un equipo internacional incrementaron el número de electrodos del arreglo a 60. Como una cámara con más pixeles, el nuevo arreglo producía una imagen más nítida. Jo Ann Lewis, de Rockwall, Texas, fue de las primeras en recibir uno. “Ahora puedo ver las siluetas de los árboles otra vez –dice ella–. Es una de las últimas cosas que recuerdo haber visto naturalmente. Hoy puedo ver ramas que sobresalen aquí y allá”.

Llevando aún más lejos el concepto de la prótesis neural, los investigadores han empezado a usarlo en el cerebro mismo. Los científicos detrás del proyecto BrainGate intentan conectar la corteza motora de pacientes completamente inmóviles directamente a una computadora, para que puedan mover objetos remotos con la mente. Hasta ahora, los pacientes que participan en las pruebas han logrado mover un cursor en una pantalla de computadora. Los investigadores incluso planean desarrollar un hipocampo –la parte del cerebro que guarda los recuerdos– artificial, con la intención de implantarlo en personas con pérdida de la memoria.

No todo funcionará a la perfección. Uno de los cuatro pacientes iniciales del proyecto BrainGate decidió que le quitaran el cable porque interfería con otros dispositivos médicos. Y Jo Ann Lewis dice que su visión no es lo suficientemente buena como para cruzar la calle. Sin embargo, Kitts hoy tiene en su muñón un nuevo recipiente, más elástico, que alinea mejor los electrodos con los nervios que controlan el brazo.
“Damos a la gente mejores herramientas que las que había antes. Pero aún son rudimentarias, como un martillo comparado con la complejidad del cuerpo humano. Son una vela comparadas con la luz deslumbrante que es la Madre Naturaleza”, señala Kuiken. Pero aun así, al menos quienes las usan pueden sujetar la vela. Y algunos pueden incluso verla parpadear en la oscuridad.