‘Piel electrónica’ permite al usuario de una mano protésica sentir dolor

Las extremidades protésicas actuales aún no son capaces de transmitir sensaciones complejas como textura o dolor al usuario.

Pero un avance reciente de los científicos de la Facultad de Medicina Johns Hopkins, en el que una capa sintética de piel en una mano artificial transmitía sensaciones de dolor directamente a el usuario, nos lleva un paso más cerca de ese objetivo.

El dolor apesta, pero estaríamos perdidos sin esta sensación extremadamente valiosa.

“El dolor ayuda a proteger nuestro cuerpo del daño al darnos la sensación de que algo puede ser dañino, como el filo de un cuchillo”, Luke Osborn, coautor del nuevo estudio y estudiante graduado de la Universidad Johns Hopkins en el Departamento de Ingeniería Biomédica, le dijo a Gizmodo.

“Para una prótesis, no existe el concepto de dolor, que lo abre a la posibilidad de daño. Encontramos una manera de proporcionar sensaciones de dolor de una manera significativa a la prótesis, así como al usuario”.

Trabajando con el neuroingeniero de JHU Nitish Thakor, Osborn y sus colegas desarrollaron un sistema llamado e-dermis, una capa parecida a la piel que le da a las extremidades protésicas la capacidad de percibir el tacto y el dolor.

La presión aplicada a la e-dermis se transmite al cerebro del usuario a través de un estimulador nervioso eléctrico implantado en el brazo sobre la prótesis, lo que permite que el sistema emule las sensaciones reales.

En las pruebas del sistema e-dermis, un amputado voluntario dijo que podía notar la diferencia entre los objetos que eran redondeados o agudos, diciendo que la sensación de dolor registraba un 3 de 10 en términos de severidad.

Las personas que usan prótesis pueden usar estas señales de dolor para evitar dañar sus prótesis, del mismo modo que usan la advertencia de dolor para evitar dañar cualquier otra parte del cuerpo.

Los objetos filosos y el calor pueden dañar las puntas de los dedos de una mano artificial o dañar su cubierta similar a la piel.

El daño grave a una extremidad artificial no es una broma, ya que algunas de las unidades más costosas pueden costar más de US$70,000 o más.

Lo que es más, una prótesis que puede sentir su entorno aumenta su utilidad.

Claramente, el dolor es desagradable, y debemos trabajar para minimizar la cantidad de dolor a la que las personas están expuestas regularmente.

Como admiten los autores del nuevo estudio, una prótesis ideal “le permitiría al usuario mantener un control completo” y elegir “anular los reflejos del dolor” si así lo desea.

Por ejemplo, los usuarios deberían poder desconectar la función de dolor y tener reflejos de dolor automatizados e incorporados que se activan cuando la extremidad detecta que algo está causando daño.

Ese es el objetivo final, pero mientras tanto, los investigadores de JHU están tratando de crear extremidades protésicas más realistas capaces de ofrecer una rica diversidad de información táctil, incluido el dolor.

Como se señaló, las prótesis modernas no proporcionan una percepción o percepción táctil significativa, por lo que los usuarios no pueden decir si algo es áspero, suave, agudo, frío o caliente.

Para superar estas deficiencias, los investigadores de JHU construyeron su dispositivo e-dermis imitando la forma en que el dolor funciona en la piel natural.

Específicamente, modelaron la forma en que las células nerviosas dentro de la piel, llamadas nociceptores, procesan el dolor y transmiten las señales resultantes al cerebro para su procesamiento a través de mecanoreceptores (como un aspecto importante, mientras experimentamos dolor en el momento de la lesión, la sensación real de dolor es producida por el cerebro).

“Sentimos dolor a través de receptores en nuestra piel”, dijo Osborne.

“Tenemos lo que se llaman mecanoreceptores que envían información sobre todo lo que tocamos en nuestro cerebro.

Es por eso que podemos sentir cosas como presión o textura.

Los nociceptores, por otro lado, transmiten sensaciones de dolor cuando tocamos algo afilado o nos cortamos.

Construimos una dermis electrónica de varias capas, o e-dermis, que trata de imitar el comportamiento de estos diferentes receptores”.

Para que funcione, los investigadores crearon un sistema neuromórfico, un dispositivo que imita el comportamiento del sistema nervioso con circuitos.

En este caso, su modelo neuromórfico tomó la salida de la e-dermis (es decir, la información táctil producida al tocar un objeto) y la transformó en picos eléctricos, o señales neuronales, que replicaron el comportamiento de los mecanorreceptores y nociceptores.

Estos picos se usaron luego para estimular eléctricamente los nervios periféricos de un voluntario amputado (es decir, estimulación nerviosa transcutánea o TNS).

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En experimentos, un voluntario amputado podía sentir presión, el golpeteo con la yema del dedo e incluso objetos que provocaban sensaciones dolorosas.

Pudo notar la diferencia entre las percepciones táctiles no dolorosas y dolorosas, incluidas las variaciones en la curvatura de un objeto y los bordes filosos.

El voluntario dijo que las sensaciones parecían venir directamente de la llamada mano fantasma.

Las exploraciones de EEG tomadas durante los experimentos parecían mostrar que las regiones del cerebro asociadas con la mano se activaban en el cerebro del participante.

Los investigadores de JHU documentaron qué estímulos el usuario encontró dolorosos y cuáles se sentían más como un toque normal.

Se le pidió al voluntario que calificara la incomodidad de las sensaciones percibidas en la mano fantasma usando una escala de -1 a 10, donde -1 es algo agradable o placentero, 1 es un dolor muy leve como un picor, 2 es una sensación incómoda como una pellizcar, 3 es incómodo pero tolerable, como un corte accidental, y así sucesivamente, durante este experimento, el nivel más alto de dolor se clasificó como un 3.

“Uno de los aspectos más sorprendentes de este trabajo fue poder identificar diferentes patrones de estimulación que producen diferentes sensaciones en la mano fantasma del voluntario amputado”, dijo Osborn.

“En este caso, esas sensaciones fueron de presión o dolor”.

Para hacer que el sistema sea más real, los investigadores también agregaron un reflejo de dolor automatizado al sistema.

Cuando la mano protésica tocó un objeto filoso, los dedos se separaron automáticamente, “para evitar daños y más dolor”, como escriben los investigadores en el estudio.

Es importante destacar que el voluntario no tenía control sobre estos movimientos reflejos.

Sharlene Flesher, PhD, investigadora postdoctoral en la Universidad de Stanford que no participó en el nuevo estudio, dijo que el nuevo estudio es “una buena pieza de trabajo que es muy completa” y que “la progresión que presentan es sólida”. “Dicho eso, ella sintió que los resultados del EEG fueron” tontos”.

“Afirman que demuestra que el participante sintió las sensaciones en la mano izquierda, pero EEG no proporciona la precisión espacial para reclamar eso”, le dijo Flesher a Gizmodo.

“El resultado coincidió en que las sensaciones estaban en el lado izquierdo del cuerpo y probablemente en algún lugar del brazo, no pensé que estaba en la mano del informe del EEG.

Me hubiera gustado ver más detalles sobre cómo mapearon las sensaciones, pero parece que hicieron un buen trabajo al encontrar sitios de estimulación que evocaban sensaciones en la mano fantasma “.

En cuanto a la construcción de prótesis que permiten a los usuarios sentir dolor, Flesher está de acuerdo en que desencadenar un dolor completo no debe ser el objetivo.

“Si el dolor debe transmitirse o no es interesante, y de alguna manera lo logran aquí.

Si la prótesis puede identificar situaciones “dolorosas” y minimizarlas, ¿realmente es necesario que el malestar se transmita al usuario?

Creo que si mantienen las sensaciones de dolor en un rango informativo, donde no causa tanto dolor como para ser una distracción, es útil “, dijo.

“Sin embargo, también evocaron sensaciones con diferentes modalidades, como presión y hormigueo, por lo que una alternativa razonable sin dolor sería tener la sensación de hormigueo para indicar un toque doloroso.

Dicho eso, si pueden provocar dolor, presión y hormigueo, utilizar los tres podría transmitir más información”.

Este es un trabajo muy prometedor, pero hay muchos otros aspectos del tacto.

De cara al futuro, a los investigadores de JHU les gustaría explorar otras percepciones que podrían proporcionarse a través de la retroalimentación sensorial, incluida la temperatura y la propiocepción (como conocer la ubicación relativa de las partes de nuestro cuerpo, como un brazo sobre la cabeza).

“Al agregar diferentes sensaciones, podemos continuar mejorando las prótesis de extremidades superiores para que sean aún más funcionales y realistas”, dijo Osborn.

Fuente: Gizmodo