LABORATORIO NUEVE: NeuroPrótesis

LABORATORIO NUEVE: NeuroPrótesis
RESUMEN
En este laboratorio, podrás:
1. Aprender sobre de las características del sistema nervioso que hacen que las neuroprótesis sean un
tratamiento viable para patologías que interrumpen el flujo de información neuronal;
2. Observar las diferencias en escala entre la magnitud de una señal neural registrada y la magnitud de
la estimulación que se requeriría para imitar la señal neuronal;
3. Probar el efecto que un patrón de estimulación que imita una señal biológica registrada en una
extremidad pueda tener en una segunda extremidad.
OBJETIVOS
Antes de realizar este práctico debieras:
 repasar lo que el daño causa en las vías nerviosas;
 estudiar cómo los electrodos interactúan con el sistema nervioso durante la grabación y
estimulación, y cómo la señal biológica puede ser transducida (cambiada) a una forma utilizable por
un computador;
 conocer el estado del arte de las técnicas actuales de interfaces cerebro-máquina.
Después de hacer este práctico debieras ser capaz de:
 • explicar la diferencia entre la transmisión "biológica" de una señal y la transmisión de señales por
una "máquina";
 describir las diferencias en escala entre la magnitud de las señales neurales registradas y la
magnitud necesaria para una respuesta de estimulación, y por qué podemos ver esas diferencias;
 diseñar un experimento para probar si la señal neuronal grabada al mover una pata de la cucaracha
puede utilizarse como una señal estimulante para recrear el mismo movimiento en una segunda
pata.
MATERIALES
 SpikerBox
 Cucaracha (dos patas de cucaracha)
 Tijeras de disección
 Mondadientes o una brocheta partida por la mitad para tener un extremo puntiagudo
 Dos amplificadores/altavoces de Casa Royal
 Splitter de dos salidas
 Dos cables patch o cables portátiles
 Un cable de estimulación
INTRODUCCIÓN
En el experimento cuatro aprendimos que nuestro sistema somatosensorial es una red compleja con
múltiples niveles que incluye receptores que interactúan con el mundo exterior y generan una señal
inicial, los nervios que llevan la señal a la médula espinal, la médula que lleva la información al cerebro y
el cerebro que procesa la información y decide qué hacer con ella. Este tipo de relación de varios niveles
es en realidad la base de todos nuestros sentidos, desde la visión (de los ojos al nervio óptico al
cerebro), a la audición (de los oídos al nervio auditivo al cerebro). Lo mismo es válido para el opuesto de
la sensación…¡el control motor! El control motor también requiere de múltiples niveles del sistema
nervioso trabajando juntos para iniciar el movimiento. En el caso de la actividad motora, sin embargo, la
señal comienza en el cerebro y se desplaza hacia por la médula espinal hasta que eventualmente llega a
los músculos que el cerebro quiere mover. En consecuencia, tanto una sensación como una función
motora saludable, requieren de una conexión nerviosa ininterrumpida entre el cerebro y los órganos
periféricos de sensoriales/motores. Y cuando esa vía neural es dañada, el déficit resultante se
caracteriza por la pérdida de función... la falta de visión es ceguera, la falta de audición es sordera, y la
falta de capacidad de detectar o controlar las piernas se denomina paraplejia (o parálisis), etc.
Cuando un mamífero se rompe un hueso, si el hueso se fija correctamente éste usualmente será
recompuesto a un hueso sano. Cuando un mamífero se desgarra un músculo, si se le da tiempo para
descansar y recuperar el músculo, usualmente el músculo se recompondrá más fuerte (esta es la base
para el entrenamiento con pesas). Sin embargo, en lo que es un continuo misterio para la ciencia, las
neuronas del cerebro y
médula espinal de los
mamíferos no vuelven a
crecer cuando se dañan, a
excepción de una pequeña
población de neuronas en las
partes del cerebro de la
memoria (el hipocampo) y el
olfato. Así, dada la tecnología
actual, cuando se produce daño en el
Esas neuronas maduras no se dividen/vuelven a
cerebro o la médula espinal, ingenieros
crecer cuando se dañan
y médicos tratan de circunvalar el lugar
de la lesión a través de medios
electrónicos y computacionales con dispositivos llamados neuroprótesis.
Tal vez la manera más fácil de visualizar una neuroprótesis es imaginar algunas historias famosas de
películas de ciencia ficción o libros de cómics. En "El Imperio Contraataca", a Luke Skywalker le
instalaron una mano robótica luego de que Darth Vader se la cortó, y Luke era capaz de controlar su
mano con sólo pensar en ello. En "Star Trek: La Nueva Generación", Giordi LaForge era un hombre ciego
que podía ver a través de un visor conectado con su cerebro. En las películas delos X-men, el Profesor
Xavier controlaba una enorme máquina, Cerebro, que se conectaba a su cerebro a través de un casco y
mejoraba sus capacidades mentales naturales.
Ahora, ¿qué tienen estos ejemplos en común? En cada uno de ellos, un dispositivo logró interfazar con
el sistema nervioso para reemplazar o mejorar la función de una parte del cuerpo. Esta es entonces la
definición del trabajo de una neuroprótesis. Y las neuroprótesis ya no se limitan a la ciencia ficción...se
han abierto camino al mundo real. Por ejemplo, si alguien rompe la médula espinal más allá de cierto
punto, están destinados a una silla de ruedas. Pero los músculos de sus piernas todavía están vivos, y el
cerebro todavía
puede comandar
el movimiento de
las piernas. El
mensaje, sin
embargo, no
puede viajar
desde el cerebro
hasta los
músculos de las piernas debido a que la médula espinal está dañada.
Si existiera una manera de "leer" la señal de comando del el cerebro y usarla para estimular los
músculos o una extremidad robótica, ese dispositivo sería una neuroprótesis. Como hemos visto en
nuestros experimentos hasta ahora, podemos usar
electrodos para interactuar con las señales que se
encuentran en las neuronas. Los potenciales de acción se
inician y se propagan a través de cambios en las
concentraciones iónicas en las células, y la señal se
desplaza como una corriente iónica cargada. Cuando un
electrodo está cerca de una neurona, las corrientes
iónicas cargadas inducir un movimiento de electrones en
la superficie del electrodo que genera una corriente de
magnitud similar en el metal. Y cuando el electrodo está
conectado a una máquina como tu Spikerbox, la máquina
puede "leer" la señal de los nervios. A grupo de
investigación en Pittsburgh ha utilizado esta misma
técnica de registro neuronal para identificar las señales
de comando que inician el movimiento en el cerebro de
un mono, y luego entrenaron un mono, con electrodos
implantados en su cerebro, para controlar un brazo
robótico y poder alimentarse. En este experimento, vamos a estudiar la preparación de una
neuroprótesis muy simple.
PROCEDIMIENTO
Ejercicio 1: Utiliza la señal neural registrada en una cucaracha para modular la otra
1. Prepara la pata de cucaracha como se describe en el Experimento 1. Corta dos patas de la
cucaracha para usar en este experimento.
2. Coloca las dos patas de cucaracha en el corcho de tu SpikerBox y conectauna de las patas
al SpikerBox en la forma tradicional, como en el Experimento 1.
3. Conecta el splitter de
dos salidas al
SpikerBox.
4. Conecta los dos
cables patch al splitter.
5. Conecta los
amplificadores/altavoz
al otro extremo de los
dos cables patch. Uno
de los
amplificadores/altavoz
es para escuchar las
espigas mientras se
hace el experimento, y el otro para estimular los músculos de la segunda pata.
6. Conecta el cable de estimulación a uno de los amplificadores.
7. Coloca las dos agujas en la segunda pata de la cucaracha, y conecta el cable de la
estimulación a las agujas.
8. Enciende uno de los amplificadores/altavoz para escuchar las espigas, y luego enciende el
segundo amplificador (el amplificador de "estimulación").
9. Después del breve movimiento inicial en la pata estimulada (por la descarga capacitiva que
ocurre cuando enciendes el amplificador), sube el volumen del amplificador estimulante
poco a poco hasta que la pata comience a sacudirse. Después de esto, disminuye el
volumen por debajo de este punto (manteniendo la pata justo “bajo el umbral”).
10. Comienza a rozar la pata que está conectada al SpikerBox.
11. Observa cualquier cambio en la pata que estás rozando (la pata “registrada”)
12. Observa cualquier efecto que notes en la pata “estimulada” cuando rozas la “pata
registrada"
PREGUNTAS DE DISCUSIÓN
1. En este experimento, conectamos dos amplificadores secundarios al SpikerBox. Uno de los
amplificadores funcionó simplemente para permitirnos escuchar las espigas y no es tan
importante. Sin embargo, el segundo amplificador fue necesario para amplificar las espigas
a un voltaje lo suficientemente alto (aproximadamente 2 voltios) para estimular la segunda
pata. ¿Qué dice esto acerca de la diferencia entre el tamaño de las señales neuronales que
estamos grabando, y el tamaño de la señal de estimulación necesaria para efectuar un
cambio en la pata? ¿Qué explicación puede haber para esta diferencia?
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2. Con los experimentos anteriores, aprendimos que las señales nerviosas viajan a través del
sistema nervioso usando potenciales de acción (espigas). ¿Qué son los transportadores de
carga que generan los potenciales de acción en el organismo? (pista: Na+, K+, Cl- son
ejemplos) Cuando la corriente viaja a través de electrodos y computadores, el transportador
de carga es diferente. ¿Cuál es el nombre de los transportadores de carga de la
electricidad? Dado que los transportadores de carga son diferentes, ¿cómo interactuar los
electrodos con el cuerpo?
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3. En este experimento, ¿qué efecto tuvo el roce en la pata "registrada" sobre esta pata?
¿Qué efecto tuvo el roce en la pata "registrada" sobre la pata “estimulada”? ¿Cómo
diseñarías un experimento para comprobar si la señal neural registrada moviendo
manualmente una pata podría ser utilizada para crear un movimiento idéntico en la segunda
pata? En base a los resultados de este experimento, ¿crees que el experimento
propuesto/hipotético funcione a la perfección en un ser humano? ¿Por qué?
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