Todd Kuiken: Un brazo ortopédico que "siente"

Hoy quisiera hablarles de la biónica, que es el término popular para la ciencia de reemplazar una parte de un organismo humano por un aparato mecatrónico o un robot. En esencia es el encuentro de la vida con la máquina. Específicamente, quiero contarles la evolución de la biónica para quienes han sufrido amputaciones de brazos.

Esta es nuestra motivación. La amputación del brazo es muy invalidante. Es decir, la dificultad funcional es muy clara. Las manos son instrumentos maravillosos. Y cuando se pierde una o, peor aún, ambas, es mucho más difícil hacer las cosas cotidianas. Hay también un gran impacto emocional. En realidad, en la clínica paso tanto tiempo tratando el reajuste emocional de los pacientes, como la disfunción física. Por último, hay un profundo impacto social. Hablamos con las manos. Con ellas saludamos. Interactuamos con el mundo físico, con las manos. Y si no las tenemos, hay una barrera. La amputación del brazo usualmente es consecuencia de un trauma, de casos como accidentes industriales, de choques de vehículos o, conmovedoramente, de la guerra. También hay algunos niños que nacen sin brazos, algo llamado carencia congénita de extremidad.

Desafortunadamente no podemos hacer mucho con prótesis de miembros superiores. Hay dos tipos generales. Las llamadas prótesis de control corporal, que se inventaron poco después de la Guerra Civil, y se refinaron en las dos guerras mundiales. Esta es la patente de un brazo de 1912. No es muy diferente de las que podemos ver en mis pacientes. Aprovechan la energía de la espalda. Al encoger la espalda se tira de un cable de bicicleta. El cable puede hacer que se abra o cierre la mano, o un gancho, o se doble el codo. Hoy todavía se usan porque son fuertes y relativamente sencillas.

Las más modernas son las prótesis mioeléctricas. Son aparatos motorizados que se controlan con pequeñas señales eléctricas desde el músculo. Cada vez que se contrae el músculo, emite una pequeña corriente que se puede captar con antenas o con electrodos, para el control de las prótesis motorizadas. Funcionan bien para quienes han perdido la mano, porque los músculos de la mano todavía están ahí. Si se aprieta la mano, estos músculos se contraen. Si se abre, se contraen estos. Es intuitivo y funciona bastante bien.

¿Y qué pasa con amputaciones mayores? Si alguien pierde el brazo más arriba del codo, desaparecen no sólo esos músculos sino también la mano y el codo. ¿Qué se puede hacer? Nuestros pacientes tienen que usar sistemas bien codificados que al activar los músculos del brazo operan miembros robóticos. Tenemos miembros robóticos. Hay varios disponibles en el mercado y aquí se ven algunos. Incluyen una mano que se puede abrir y cerrar, un sistema para girar muñeca y codo. No hay más funciones. Si las hubiera, ¿cómo podríamos ordenar lo que deben hacer?

Construimos un brazo en el Instituto de Rehabilitación de Chicago (RIC) al que pusimos alguna flexión de muñeca y articulaciones de espalda para mover hasta seis motores, o seis grados de libertad. Hemos podido trabajar con algunos brazos bien avanzados financiados por el ejército estadounidense, usando estos prototipos, hasta con 10 grados de libertad diferentes incluyendo manos móviles. Pero, finalmente, ¿cómo le ordenamos a estos brazos robóticos qué hacer? ¿Cómo los controlamos? Pues necesitamos una interfaz neural, una manera de conectarnos al sistema nervioso o a los procesos mentales para que sea intuitiva, natural, como para todos nosotros.

La actividad corporal comienza con una orden de movimiento en el cerebro, que baja por la médula espinal y sale por los nervios hacia la periferia. Las sensaciones van en sentido opuesto. Al tocar algo aparece un estímulo que viaja por esos mismos nervios hacia el cerebro. Cuando se pierde un brazo, el sistema nervioso sigue operando. Los nervios pueden producir órdenes. Al tocar la terminación nerviosa de un veterano de la Segunda Guerra, él sigue sintiendo la mano que perdió. Podría alguien decir que hay que ir al cerebro y poner ahí algo para captar las señales, o en el extremo del nervio periférico, y captarlas allí. Estas son estupendas áreas de investigación, pero verdaderamente, muy difíciles. Habría que colocar centenares de alambres microscópicos para registrar desde pequeñísimas neuronas, fibras comunes, unas señales mínimas emitidas en microvoltios. Esto es demasiado difícil para hacerlo con mis pacientes actuales.

Por eso desarrollamos un método diferente. Usamos un amplificador biológico para agrandar esas señales nerviosas; un músculo. Los músculos amplifican las señales unas mil veces, de modo que las podemos tomar de la superficie de la piel, como vimos antes. Este método se llama reinervación inducida. Puede pensarse en alguien que perdió todo el brazo pero que conserva cuatro nervios principales que van por el brazo. Se extrae el nervio del músculo pectoral y se hacen crecer esos nervios allí. Al pensar, "cerrar la mano", se contrae una pequeña parte del pecho. Al pensar, "doblar el codo", se contrae otra parte. Podemos usar electrodos o antenas para captarlas y ordenar al brazo que se mueva. Esa es la idea.

El primer ensayo fue con este hombre. Su nombre es Jesse Sullivan. Más que un hombre, es un santo; un electricista de 54 años que tocó el alambre equivocado por lo que sus dos brazos se quemaron horriblemente y tuvieron que amputarlos desde la espalda. Jesse vino al centro RIC para que se le adaptaran estos modernos dispositivos que aquí ven. Todavía estoy usando tecnología antigua con un cable de bicicleta del lado derecho. Él decide cuál articulación quiere mover, con esos interruptores en el mentón. A la izquierda tiene prótesis motorizadas más modernas en las tres articulaciones y las controla con pequeñas almohadillas en la espalda que hacen mover el brazo. Como Jesse es un buen operario de grúa, lo hace muy bien para nuestros patrones.

Como necesitaba una operación en el pecho, para revisarlo, esta fue una oportunidad para hacer la reinervación inducida. Mi colega, el Dr. Greg Dumanian, practicó la cirugía. Primero cortamos el nervio de su propio músculo, luego tomamos los nervios del brazo y simplemente los insertamos en el pecho para finalmente cerrarlo. Luego de unos tres meses los nervios habían crecido un poco y pudimos tener una contracción. Después de seis meses los nervios habían crecido bien y se podían ver contracciones fuertes. Así se ve. Esto es lo que sucede cuando Jesse piensa que se abra o cierre su mano o que se doble o enderece el codo. Pueden ver ahora los movimientos del pecho. Esas pequeñas marcas visibles están donde colocamos las antenas o los electrodos. Puedo desafiar a todos en este salón para que muevan así el pecho. El cerebro piensa en el brazo. Él no tuvo que aprender a hacer así con el pecho. No hay un proceso de aprendizaje. Porque es algo intuitivo.

Aquí está Jesse en la primera prueba. A la izquierda se ve la prótesis original y a él usando los controles para pasar pequeños bloques de una caja a otra. Ha tenido ese brazo por 20 meses, o sea que ya se siente bien con él. A la derecha, dos meses después de ajustarle la prótesis de reinervación inducida; que, dicho de paso, es el mismo brazo físico, aunque programado un poco diferente; se ve mucho más rápido y más suave al pasar esos pequeños bloques. En ese momento sólo estábamos usando tres de las señales.

Luego tuvimos una de esas pequeñas sorpresas científicas. Estábamos tratando de obtener las órdenes para mover los brazos robóticos. Después de unos pocos meses, al tocar a Jesse en el pecho él sintió su mano perdida. La sensación de la mano volvió a su pecho probablemente porque habíamos retirado una cantidad de grasa, de modo que la piel estaba pegada al músculo y desnervó, si se quiere, su piel. Así, si tocas a Jesse aquí, él siente su dedo; y si lo tocas aquí, siente su meñique. Él siente pequeños toques hasta de un gramo de fuerza. Siente calor, frío, una punta, algo romo, todo eso, en la mano perdida o en la mano y en el pecho, pero puede sentirlo en uno u otro. Esto es verdaderamente emocionante porque ahora tenemos un portal, o sea una manera posible de recuperar las sensaciones para que él pueda sentir lo que toca con su mano ortopédica. Imagínense unos sensores en la mano que tocan y presionan sobre la nueva piel. Es increíble.

También volvimos a la que inicialmente era nuestra población primaria; personas con amputación arriba del codo. Aquí desnervamos, o sea, cortamos un nervio apenas con pequeños trozos de músculo y otros los dejamos intactos para que nos den señales de arriba-abajo y otros dos que emitan señales de mano abierta y cerrada. Hicimos esto en uno de nuestros primeros pacientes; Chris. Pueden verlo con su dispositivo original a la izquierda, después de 8 meses de usarlo, y a la derecha, con sólo 2 meses. Cuatro o cinco veces más rápido según este sencillo medidor de desempeño.

Bien. Una de mis mejores tareas es trabajar con pacientes maravillosos que a la vez son colaboradores. Hoy tenemos la suerte de contar con Amanda Kitts, que nos acompaña. Por favor, una bienvenida para Amanda Kitts.

(Aplausos)

Amanda, por favor, ¿quieres contar como perdiste el brazo?

AK: Claro. En el 2006 tuve un accidente automovilístico. Yo iba manejando del trabajo a casa, y venía un camión en dirección opuesta, que se pasó a mi carril, se abalanzó sobre mi auto y con el eje me arrancó el brazo.

Todd Kuiken: Bueno, después de la amputación, se sanó y conseguiste uno de estos brazos convencionales. ¿Puedes decir cómo funcionaba?

AK: Bueno, era un poco difícil, porque tenía que operar con el bíceps y el tríceps. Para las cosas simples como levantar algo, tenía que doblar el codo, y luego volver a contraerlo para cambiar de modalidad. Al hacerlo tenía que usar el bíceps para que la mano se cerrara, y luego el tríceps para abrirla y volver a contraer para que el codo actuara nuevamente.

TK: ¿Era un poco lento?

AK: Un poco lento y era difícil de manejar. Había que concentrarse mucho.

TK: Bien. Pienso que unos 9 meses después, cuando tuviste la cirugía, llevó seis meses más para completar toda la reinervación. Luego le acoplamos una prótesis. ¿Cómo te funciona eso?

AK: Funciona bien. Puedo usar el codo y la mano simultáneamente. Puedo controlarlos con solo pensarlo. Ya no tengo que hacer todas esas contracciones.

TK: ¿Algo más rápido?

AK: Algo más rápido. Y mucho más fácil, mucho más natural.

TK: Bueno. Ese es mi objetivo. Durante 20 años mi propósito ha sido que alguien pueda usar el codo y la mano de manera intuitiva y simultánea. Tenemos más de 50 pacientes por todo el mundo, que han tenido esta cirugía, incluyendo más de una docena de soldados heridos en las fuerzas armadas de Estados Unidos. La tasa de éxito de transferencias de nervios es muy alta. Como del 96%. Porque ponemos un nervio grande y grueso en una pequeña porción de músculo. Y esto nos da el control intuitivo. Nuestras pequeñas pruebas de desempeño, siempre muestran más rapidez y mayor facilidad. Y lo más importante es que a nuestros pacientes les encanta.

Todo esto es muy emocionante. Pero tenemos que mejorar. Hay una gran cantidad de información en las señales nerviosas y queremos obtener algo más. Que uno pueda mover cada uno de los dedos, el pulgar, la muñeca. ¿Podremos obtener más? Hicimos algunos experimentos en los que saturamos a los pobres pacientes con millones de electrodos para que hicieran más de veinte tareas diferentes; desde encorvar un dedo hasta mover todo el brazo para alcanzar algo; y registramos la información. Luego aplicamos unos algoritmos parecidos a los de reconocimiento de voz, llamados reconocimiento de patrones. Miren.

(Risas)

Aquí puede verse el pecho de Jesse, tratando de hacer tres cosas diferentes. Pueden ver tres patrones diferentes. Pero no podemos poner un electrodo y decir: "Vaya allá". En colaboración con nuestros colegas de la Universidad de Nueva Brunswick, logramos este algoritmo de control que Amanda puede mostrar ahora.

AK: Tengo un codo que puede subir y bajar. Tengo rotación en la muñeca que se mueve; puede hacer giros completos. Y tengo flexión y extensión en la muñeca. También puedo abrir y cerrar la mano.

TK: Gracias, Amanda. Este es un brazo experimental, hecho de partes del comercio local con algunas que traje de otros lugares del mundo. Pesa como 3 kilos, que es probablemente lo que pesaría mi brazo si lo cortara desde aquí. Obviamente, para Amanda es muy pesado. Y parece más pesado aún porque no está integrado sino que lleva todo ese peso colgado de arneses.

La mejor parte no es tanto toda esa mecatrónica, sino el control. Hemos desarrollado un pequeño microcomputador que está centelleando por ahí en su espalda, que funciona como ella le enseña para usar cada una de las señales musculares. Amanda, cuando comenzaste a usar este brazo, ¿cuánto tiempo necesitaste para manejarlo?

AK: Me llevó probablemente unas 3 o 4 horas enseñarle. Tuve que conectarlo a un computador, así que no podía entrenarlo en cualquier parte. Si dejaba de funcionar, tenía que quitármelo. Ahora puedo entrenarlo con este pequeño aparato en la espalda que puedo llevar conmigo. Si deja de funcionar por alguna razón, lo vuelvo a entrenar. Como en un minuto.

TK: Estamos encantados porque estamos llegando a un dispositivo clínicamente práctico. Esa es nuestra meta; tener algo, clínicamente pragmático, que pueda usarse. Amanda también ha podido usar algunos de los brazos más avanzados que mostré antes. Aquí está Amanda usando un brazo hecho por DEKA Research Corporation. Creo que Dean Kamen lo presentó en TED hace unos años. Amanda, como puede verse, tiene muy buen control. Todo es reconocimiento de patrones. Ahora se tiene una mano que puede agarrar de diversas formas. Lo que hacemos es que el paciente la abra por completo y piense: "¿Qué clase de agarre quiero?" Y se pone en esa modalidad; son hasta 5 o 6 formas de agarre diferentes con esta mano. Amanda, ¿cuántas podías hacer con el brazo de DEKA?

AK: Podía hacer 4. Tenía el de agarrar una llave, el de lanzar, el de hacer fuerza y el de pellizco fino. Pero mi favorito era simplemente la mano abierta porque trabajo con chicos y todo el tiempo estás aplaudiendo y cantando, de modo que pude volver a hacerlo, y fue muy bueno.

TK: Pero esa mano no es buena para aplaudir.

AK: No puedo aplaudir con esta.

TK: Bien. Es emocionante pensar a dónde podremos llegar con mejor mecatrónica, si le hacemos las mejoras para comercializarlo y hacer un ensayo de campo. Miren con atención.

(Video) Claudia: ¡Ahh!

TK: Esta es Claudia, era la primera vez que podía sentir con esa prótesis. Tiene un pequeño sensor en el extremo que ella frota en superficies diferentes para sentir diversas texturas; de papel de lija, varios granos, cable, al apoyarse en la piel de la mano reinervada. Ella dijo que al pasarla sobre la mesa, sentía que el dedo se mecía. Este es un gran experimento de laboratorio para devolver, posiblemente, alguna sensación de la piel.

Aquí hay otro video que muestra algunos retos. Este es Jesse apretando un juguete de espuma. Cuanto más oprime -en el centro se ve una cosa pequeña que hace fuerza sobre su piel en proporción a la presión que él ejerce. Fíjense en los electrodos. Tengo un problema de espacio. Tenemos que poner muchas de estas cosas ahí, y el motorcito hace toda clase de ruidos junto a los electrodos. Ahí hay un serio desafío.

El futuro es brillante. Estamos muy interesados en hacer todas estas cosas. Por ejemplo, queremos resolver el problema de espacio y obtener mejores señales. Hay que desarrollar pequeñas cápsulas del tamaño de granos de arroz para incrustarlas en los músculos y emitir a distancia señales electromiográficas, para no preocuparse por electrodos de contacto. Podemos tener el espacio abierto para ensayar más reacciones sensoriales. Queremos hacer un mejor brazo. Este brazo -siempre se hacen para el percentil 50, masculino- o sea que son demasiado grandes para 5/8 de la gente. Más que un brazo superfuerte y superrápido, estamos haciendo uno que sea, partiendo del percentil 25, femenino, que tenga una mano envolvente, que se abra bien, con dos grados de libertad en muñeca y codo. Que sea el más pequeño, más liviano y más listo que jamás se haya hecho. Cuando logremos hacerlo así de pequeño será mucho más fácil ampliarlo.

Estas son algunas de nuestras metas. Me alegro que todos Uds. estén hoy aquí. Me gustaría contar algo un poco negativo que sucedió ayer. Amanda llegó con un gran desfase horario usando su brazo y todo salió mal. Apareció un fantasma en el computador, un cable roto, un convertidor que hacía chispas. Desarmamos todos los circuitos en el hotel y casi activamos la alarma de incendio. Yo no podía resolver ninguno de esos problemas, pero tengo un gran equipo de investigadores. Doy gracias que la Dra. Annie Simon estaba ahí y trabajó ayer muchísimo para arreglarlos. Así es la ciencia. Afortunadamente hoy funcionó bien.

Muchas gracias.

(Aplausos)