Las personas usan interfaces cerebro-máquina para restaurar la función motora de formas nunca antes posibles, a través de prótesis de extremidades y exoesqueletos. Pero las tecnologías para reparar y mejorar la cognición han sido más difíciles de alcanzar. Eso está cambiando rápidamente con nuevas herramientas, desde completamente implantablesdispositivos cerebrales a las redes de espionaje neuronal sobre el cerebro, para sondear directamente la mente.
Estas nuevas tecnologías, que se presentaron en la conferencia anual de la Cognitive Neuroscience Society CNS en la ciudad de Nueva York, están mapeando nuevas comprensiones de la cognición y avanzando en los esfuerzos para mejorar la memoria y el aprendizaje en pacientes con déficit cognitivos.
Espiando las neuronas
"Una nueva era" de electrofisiología está sobre nosotros, dice Josef Parvizi, de la Universidad de Stanford, que preside el simposio del CNS sobre el tema. "Hemos tenido una visión mucho más clara de la actividad electrofisiológica del cerebro" utilizando técnicas que una vez fueron relegadas a la cienciaficción.
En la última década, los científicos han reunido una gran cantidad de datos nuevos a través de cuadrículas de sensores insertados en las capas superiores del cerebro. "Básicamente, puedes espiar cada milímetro del cerebro humano en tiempo real usando 300-400 sensores,grabando simultáneamente desde un gran manto del cerebro humano. "Esa información, combinada con nuevas técnicas de procesamiento y minería de datos, ha llevado a una explosión en estudios que involucran a humanos".
"Simplemente compare documentos recientes en humanos y primates no humanos", dice György Buzsáki de la Universidad de Nueva York NYU. "En el último caso, se usan 2 o 3 sujetos con menos de 50 sitios de grabación, y unLos documentos se basan en 100-200 neuronas. Por el contrario, las observaciones en humanos informan sobre docenas de pacientes y un orden de magnitud más datos que en monos ".
Buzsáki, quien se presenta en la reunión del SNC, ha estado trabajando para comprender las reglas sintácticas del cerebro: cómo se analiza, empaqueta y transmite la información. Cree que la respuesta está en los ritmos autogenerados del cerebro.El trabajo ha encontrado que casi todos los ritmos cerebrales se conservan a través de la evolución de los mamíferos. A pesar de un aumento del volumen cerebral de 15,000 veces desde el mamífero más pequeño hasta el más grande, "la dinámica de los ritmos cerebrales varía poco entre especies", dice.
En un nuevo estudio, Buzsáki y sus colegas han estado estudiando la epilepsia en ratas, específicamente observando las descargas epilépticas interictales IED. Distintos de las crisis epilépticas, los IED pueden dañar la memoria en pacientes con epilepsia. Los nuevos resultados sugieren que los IED secuestran el fisiológicopatrones relacionados con la consolidación de la memoria, incluso durante el sueño.
"Eliminar los IED sería una solución ideal", dice Buzsáki. En pocas palabras, los científicos pueden desacoplar los IED de las señales electroquímicas asociadas con la consolidación de la memoria.
Para ayudar a apoyar tales intervenciones, Buzsáki ha estado trabajando en una nueva herramienta para registrar y estimular las señales de la corteza. El sistema escalable ofrece una resolución espacial más alta para las capas superficiales de la corteza y, a diferencia de las redes subdurales comúnmente utilizadas, se asienta sobre el cerebroen lugar de penetrarlo
"Los jóvenes estudiantes de neurociencia cognitiva tienen la suerte de estar en medio de una nueva era en la que tenemos acceso a nuevas y sorprendentes herramientas de la ciencia para espiar a la población de células con una excelente resolución temporal", dice Parvizi.
Estimulante para déficit de memoria
"La enfermedad cerebral es un problema socioeconómico creciente", dice Dejan Markovic de UCLA. La lesión cerebral traumática LCT y la epilepsia solo afectan a millones de pacientes al año. La neuromodulación, que ajusta las señales electroquímicas a nivel neural, ofrece un potencialsolución.
La tecnología actual es inadecuada para tratar enfermedades complejas a nivel de red, dice Markovic: "Los medicamentos tienen un éxito muy limitado, lo que hace que el desarrollo de una nueva tecnología de neuromodulación para tratar los trastornos cognitivos y psiquiátricos sea una prioridad médica y social importante".
Abordar esto es un desafío, ya que el cerebro es un sistema complejo masivamente paralelo: unas 10 capas de células se encuentran entre las regiones del cerebro que manejan nuestros sentidos y nuestra corteza, donde se almacenan los recuerdos. Y cada célula tiene miles depuntos de conexión con otras células con múltiples ramas. Desde el mapeo de la neuroanatomía básica de las células neuronales a fines del siglo XIX, los científicos han trabajado para comprender cómo interactúan dinámicamente estas células.
Algunos científicos piensan que el secreto está en los pulsos electroquímicos cortos intercambiados entre las neuronas, el lenguaje del cerebro. En el trabajo que antes solo era posible en animales, los científicos ahora están grabando estas señales directamente desde el cerebro y, en algunos casos, tratando de estimular el cerebrocon esas señales para ayudar a los pacientes con déficits cognitivos. Markovic, con un equipo interdisciplinario que incluye a Lawrence Livermore National Labs, UCLA y UCSF y una donación a través de DARPA, está trabajando en una tecnología de plataforma para dicha estimulación cerebral.
Los pacientes con epilepsia comúnmente tienen electrodos implantados en su cerebro para ayudar a los médicos a determinar la ubicación de sus ataques. El equipo está utilizando estos electrodos ya implantados para registrar y estimular la actividad de neuronas individuales y pequeñas poblaciones neuronales durante los pacientes 2-3de una semana de duración. Algunos pacientes reciben un implante crónico que utiliza electrodos de superficie y profundidad para detectar y estimular. El proyecto se basa en el trabajo anterior que demuestra el fortalecimiento de la memoria al estimular la región entorrinal del cerebro, la puerta de entrada al almacenamiento de memoria a largo plazo en el hipocampo.
Como Markovic está presentando en la reunión del CNS, el equipo está comenzando a realizar pruebas en animales de un nuevo sistema y realizará pruebas en humanos en algún momento de este año. Entre sus objetivos para este sistema están: una matriz de electrodos de mayor densidad para permitir una orientación más precisa enneuronas, nuevos circuitos de grabación que aumentan enormemente el volumen de datos capturados y una nueva tecnología inalámbrica de energía y telemetría que permite la transmisión de datos en tiempo real desde el cerebro. La esperanza es desarrollar un neuroprostético que no solo pueda ayudar a los pacientes con epilepsia yTBI pero también aquellos que sufren de depresión, ansiedad, trastorno de estrés postraumático y otros trastornos neuropsiquiátricos.
Lo que hace que la cognición sea especialmente desafiante como objetivo de esta tecnología, a diferencia del comportamiento motor, es que la función de memoria está representada por redes neuronales escasas y parcialmente superpuestas que consisten en millones de neuronas, dice Markovic. "Obviamente, el acceso a todas estas neuronascon la interfaz y la tecnología de grabación que tenemos hoy en día no es posible, y los neurocientíficos clínicos tienen que trabajar duro para hacer inferencias a partir de datos muy limitados a los que pueden acceder ", dice." Nuestra tecnología aumentará en gran medida la eficacia de la neuromodulación y permitirá el acceso apoblación de pacientes más amplia "
Si bien el trabajo de Markovic y sus colegas "bien puede ser ciencia ficción en este momento", dice Parvizi, "su investigación definitivamente empujará el sobre, y todos nos beneficiaremos".
En esta nueva era de grandes datos neuronales, "se necesitan nuevos análisis y teorías para dar sentido a los datos que conducen a descubrimientos", dice Xiao-Jing Wang de la Universidad de Nueva York. Su trabajo combina el modelado computacional de datos experimentales de las oscilaciones en el cerebro para comprenderlos muchos sistemas de retroalimentación en diferentes escalas en el espacio y el tiempo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Sociedad de Neurociencia Cognitiva . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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