Implantan en el cerebro de dos personas ciegas electrodos capaces de evocar la visión y adaptarse en tiempo real

Se trata de un artículo de un gran impacto. Science Advances es capaz de obtener revisión por pares de científicos/investigadores con experiencia en varios campos, lo que asegura que los artículos publicados tengan una calidad general muy alta y con mucha claridad en las metodologías y los resultados. 

Desde hace décadas, investigadores en el campo de las prótesis visuales corticales han acumulado cierta evidencia, tanto en humanos como en primates, de la forma en que la estimulación eléctrica cortical puede generar percepciones visuales artificiales (que llamamos fosfenos).  En un trabajo anterior, demostramos simples percepciones visuales generadas con esta misma tecnología en humanos, gracias a nuestra primera participante ciega en el estudio CORTIVIS.  

En este nuevo trabajo, Fabrizio Grani y el resto del equipo, y gracias a dos nuevos participantes, realizaron un estudio exhaustivo de cómo este tipo de implante neuronal visual genera percepciones artificiales (fosfenos), y cómo los parámetros de estimulación modulan (cambian) esas percepciones. Por ejemplo, cómo variando la intensidad de corriente, la frecuencia de los pulsos bifásicos y la duración de la estimulación se modifica el brillo que los participantes percibieron.   

Además, lo que es crítico es que el equipo de investigación analizó las respuestas de las neuronas registradas tras estimular, y fueron capaces de relacionar la cantidad de actividad neuronal con el brillo percibido por los participantes en un experimento, con la capacidad de detectar los fosfenos en otro experimento, y finalmente con la capacidad de distinguir dos fosfenos separados en el tiempo en otras pruebas realizadas (es decir, percibir dos estímulos eléctricos como un solo fosfeno o como dos fosfenos separados, lo cual es importante para entender la resolución temporal que estos implantes neuronales serán capaz de alcanzar en el futuro). Esto es especialmente importante y un gran avance. Normalmente, si somos capaces de decodificar algunas propiedades de la percepción del usuario de un futuro implante neuronal automáticamente, estos serán capaces de calibrarse mucho más fácilmente y más rápido.  

[En cuanto a posibles limitaciones] La primera limitación es que, aunque los resultados son muy claros y robustos, normalmente es posible encontrar variaciones individuales. Por lo tanto, será necesario replicar estos resultados en el futuro, para asentar la generalizabilidad de los análisis y los resultados en una población más extensa. Otra limitación (quizás más bien una dificultad para el análisis) es la presencia de artefactos de estimulación. Esto significa que, cuando estimulamos y registramos las respuestas neuronales con los mismos electrodos, es necesario procesar la señal para obtener una señal clara. Fabrizio y sus colegas realizaron un trabajo excepcional con el procesado de señal, en este caso.

El artículo representa un importante avance en la tecnología de las prótesis visuales. La calidad de la investigación parece alta, como lo demuestran el diseño experimental cuidadoso y riguroso y los informes detallados, especialmente teniendo en cuenta los retos que plantea el trabajo con sujetos humanos. Se trata de un trabajo técnicamente sofisticado que supone un avance significativo que puede aplicarse también a otros enfoques. 

Las prótesis visuales corticales tienen como objetivo restaurar parte de la percepción visual en personas con ceguera causada por enfermedades oculares. Con las prótesis visuales que se utilizan para crear visión artificial, cada contacto individual del electrodo crea un pequeño punto de luz llamado fosfeno. Estos son muy similares a los píxeles de una pantalla. 

A medida que el campo avanza hacia dispositivos de mayor y mayor resolución, los investigadores han planteado dos cuestiones fundamentales. La primera es: ¿cómo podemos saber, de forma objetiva, cuál es el resultado perceptivo de aplicar un nivel determinado de estimulación a un electrodo determinado, para poder calibrar cuánto se necesita? La segunda es: ¿cómo podemos hacer esa evaluación para los miles de electrodos necesarios para la visión artificial de alta resolución, sin imponer una carga excesiva al paciente? 

Este artículo aborda directamente ambas cuestiones en relación con los implantes corticales que tienen la forma de una rejilla de electrodos, como la matriz de Utah utilizada por los autores. Estos pudieron demostrar que, si se estimula desde un electrodo, o un pequeño grupo de electrodos vecinos, mientras se registra simultáneamente desde los electrodos circundantes, la actividad neuronal de los registros puede coincidir con los informes de los pacientes sobre lo que ven. Por lo tanto, concluyen que la cantidad de corriente eléctrica necesaria para crear una percepción visual, un fosfeno, que varía de un electrodo a otro, e incluso de un individuo a otro, puede deducirse automáticamente de forma rápida.  

Los autores han demostrado que los registros de las neuronas cercanas a un electrodo de estimulación reflejan de forma fiable las características de los fosfenos generados. 

Al proporcionar un medio para evaluar objetivamente las percepciones generadas, los autores parecen haber resuelto dos importantes problemas pendientes en el campo de la visión artificial: cómo calibrar de forma fiable la corriente de estimulación para un electrodo determinado, incluidas las recalibraciones que podrían ser necesarias en implantes a largo plazo, y cómo automatizar esa calibración de una manera que resulte útil para implantes con muchos, muchos electrodos. 

El hecho de que estos resultados se hayan obtenido en pacientes humanos hace que este hallazgo sea mucho más impactante que los estudios preclínicos por sí solos. 

[En cuanto a las limitaciones]  

• Las matrices de Utah utilizadas en este trabajo son rejillas de electrodos de 10 x 10. Si cada electrodo genera un solo fosfeno, los píxeles de la visión artificial, eso es (a) una resolución no muy alta, y (b) cubriría solo una pequeña parte de la escena visual. Utilizar una sola matriz como esta sería como tener una visión borrosa, como mirar a través de un pequeño tubo. Se pueden combinar múltiples matrices para mejorar la cobertura del campo visual, pero la tecnología actual que hay detrás de ello significaría que solo habría pequeñas islas de visión aisladas, en lugar de un campo visual continuo. 
• Etapa inicial con una muestra limitada de pacientes: aunque esto representa un avance sustancial, todavía se encuentra en una etapa inicial. Los resultados se basan en datos de solo dos pacientes, lo que limita la generalización de los hallazgos. Los resultados son lo suficientemente sólidos como para esperar que otros equipos adopten las estrategias propuestas y confirmen estos resultados. 
• Variabilidad de los pacientes: aunque los resultados de los dos sujetos fueron en gran medida coherentes, hubo cierta variabilidad. Es necesario explorar esa variabilidad en una población de pacientes más amplia para comprender en qué medida se pueden generalizar estas ideas. La corteza visual y su respuesta a la estimulación varían significativamente entre individuos. Es posible que estos hallazgos deban ajustarse para que sean universalmente aplicables. 
• Vida útil de los electrodos: un reto clave para las prótesis visuales es garantizar la biocompatibilidad a largo plazo de los electrodos. La inflamación crónica y la cicatrización de los tejidos pueden degradar el rendimiento con el tiempo. El artículo no aborda esta cuestión directamente y es un factor crucial para el desarrollo futuro. Aunque se ha demostrado que la matriz de Utah es biocompatible, recientemente han surgido preocupaciones sobre la pérdida de eficacia a lo largo de los años. Los experimentos aquí realizados se llevaron a cabo con implantes que solo estuvieron colocados durante 6 meses, por lo que no abordan ese problema. 
• Interpretación perceptiva: incluso con una estimulación precisa, el cerebro del paciente debe interpretar los patrones. Este proceso puede verse influido por la experiencia visual previa y por factores cognitivos. Aunque las prótesis visuales, especialmente las corticales, se han mostrado prometedoras para crear una visión artificial útil, aún queda mucho por aprender sobre cómo interpreta el cerebro esa nueva información. Este estudio examinó la creación de fosfenos individuales, en lugar de formas o escenas visuales. 
• Riesgos y complejidad quirúrgicos: La implantación de prótesis corticales es un procedimiento quirúrgico complejo e invasivo. Es necesario considerar cuidadosamente los riesgos asociados y las complicaciones a largo plazo. Este trabajo reduce en cierta medida los riesgos potenciales al proponer una forma de resolver los problemas mencionados anteriormente sin implantes adicionales. 

En resumen, esta investigación representa un avance impresionante en la tecnología de las prótesis visuales corticales, ya que crea un medio para medir automáticamente la capacidad de los electrodos individuales de una matriz para generar fosfenos, los píxeles de la visión artificial. 

Estos resultados han resuelto uno de los grandes problemas pendientes en el diseño de la visión artificial de alta resolución, eliminando una de las principales barreras para el diseño de prótesis visuales que tengan una amplia aceptación entre los posibles receptores. 

Este artículo aborda una cuestión importante en el campo del desarrollo de prótesis visuales. Si bien el aumento del número de electrodos permite transmitir más detalles visuales directamente al cerebro mediante estimulación eléctrica, esto conlleva la necesidad de realizar un procedimiento de calibración mucho más elaborado para determinar los parámetros de estimulación ideales para cada uno de estos electrodos. La forma convencional de preguntar al paciente sobre su experiencia mientras se optimiza cada electrodo resulta entonces increíblemente tediosa y poco intuitiva. Aquí se presenta un enfoque alternativo que utiliza registros neuronales en lugar de informes de los pacientes para ajustar la estimulación en función de la actividad cerebral continua. Este nuevo enfoque abre la puerta a la calibración masiva totalmente automatizada de los parámetros de estimulación para todos los electrodos. 

El artículo presenta datos únicos y valiosos de voluntarios ciegos a los que se les han implantado electrodos en la corteza visual, lo que permite a los investigadores tanto estimular como registrar, al tiempo que obtienen información detallada sobre la experiencia perceptiva evocada por la estimulación. Por supuesto, existen limitaciones en la forma en que se puede llevar a cabo un experimento de este tipo. En animales de laboratorio se podría hacer algo similar, pero explorando el espacio de parámetros de una manera mucho más sistemática. Sin embargo, estos animales no serían capaces de describir su percepción, lo que dificultaría mucho más la interpretación de los datos. 

Aunque la calibración automatizada de los umbrales de estimulación suena muy bien, una cosa que el artículo no aborda realmente es la experiencia perceptiva de dicho proceso. En los experimentos actuales, los pacientes voluntarios parecen realmente comprometidos con los investigadores para obtener buenos resultados en estos experimentos. En un entorno no experimental, la calibración de los electrodos implica inevitablemente muchas repeticiones de estimulación con diferentes parámetros, y una parte sustancial de ellas provocará percepciones de fosfenos. Se debe considerar cuidadosamente cómo se incorporaría y comunicaría dicho sistema a los pacientes. Si se hace correctamente, sería un paso importante hacia prótesis visuales más funcionales y fáciles de usar. 

Los resultados publicados por Grani et al. abordan temas cruciales en el campo de las interfaces cerebro-ordenador para la restauración de la visión. Los autores demuestran que los niveles de actividad neuronal registrados en regiones de la corteza visual cercanas al sitio de estimulación eléctrica se correlacionan significativamente con los informes perceptuales de pacientes ciegos.   

Específicamente:  

1. Los niveles de actividad neuronal fueron sistemáticamente más altos cuando los dos pacientes informaron haber visto fosfenos, lo que significa que podría ser posible determinar los umbrales de corriente utilizando la actividad registrada, en lugar de basarse únicamente en los informes conductuales. Esto permitiría una calibración más rápida y eficiente del sistema de prótesis, lo que posibilitaría que los futuros pacientes comiencen a usar su dispositivo en un período más corto desde el momento de la implantación. También permitiría determinar y administrar niveles más bajos de corriente eléctrica al tejido, los suficientes para generar una visión útil. Mantener los niveles de corriente lo más bajos posible es importante, ya que se sabe que los niveles excesivos de estimulación provocan convulsiones.  

2. En experimentos realizados con uno de los pacientes, este informó que los fosfenos eran más brillantes cuando la frecuencia de estimulación o la duración de los trenes de estimulación eran mayores. Además, los niveles de actividad neuronal registrados mostraron una relación significativa con el brillo percibido. Hasta donde sé, esta relación (entre la actividad neuronal y el brillo percibido) no se había explorado con tanto detalle, utilizando microelectrodos intracorticales, en personas ciegas. La importancia de este hallazgo es doble: en primer lugar, proporciona información sobre cómo se podría controlar el brillo de los fosfenos individuales, lo que a su vez ofrece a los pacientes un canal de información adicional. Hasta la fecha, los científicos han podido controlar la ubicación de los fosfenos hasta cierto punto, pero no tanto su brillo. Al añadir información de luminancia a la ubicación espacial, es probable que los pacientes puedan reconocer objetos con mayor facilidad. Por ejemplo, potencialmente no solo podrían ver formas simples, sino también extraer información sobre la luminancia o el color. En segundo lugar, permitiría a los clínicos estimar el brillo de los fosfenos más rápidamente mediante el análisis de los niveles de actividad neuronal, en lugar de requerir que los futuros usuarios de prótesis para personas ciegas informen verbalmente sobre el brillo de cada fosfeno individual.  

3. En ambos pacientes, la aplicación sucesiva de trenes de estimulación produjo dos fosfenos temporalmente distintos con un intervalo de aproximadamente 300 ms. Además, los niveles de actividad neuronal se correlacionaron significativamente con la percepción de los pacientes: si veían un solo fosfeno o dos fosfenos consecutivos. Este hallazgo aporta información sobre la posible resolución temporal (o «frecuencia de actualización») de la visión artificial: si consideramos la estimulación de la corteza para producir visión fosfénica como análoga a la actualización de la pantalla de un monitor, ¿con qué rapidez se puede «actualizar» la información visual para proporcionar a una persona ciega información útil mientras se mueve e interactúa con objetos y personas en tiempo real?