Interfaces Neuronales y Retroalimentación Sensorial

Las interfaces neuronales y la retroalimentación sensorial se refieren al vínculo bidireccional entre una prótesis motorizada y el sistema nervioso del usuario. La vía eferente lee la intención —a partir de la actividad muscular residual, nervios quirúrgicamente redirigidos o directamente de los nervios periféricos— y la convierte en comandos para el dispositivo. La vía aferente cierra el ciclo al proporcionar información de tacto, fuerza o posición de vuelta al usuario, de modo que la extremidad no solo se controla sino que también se siente. Juntas, estas definen el objetivo de una prótesis bidireccional e intuitiva.

Definition

Una interfaz neuronal para prótesis es el sistema que transmite comandos motores desde el sistema nervioso o muscular del usuario a un dispositivo y, en diseños bidireccionales, devuelve señales sensoriales al usuario, permitiendo el control y la sensación de una extremidad artificial.

Scope

El tema abarca las interfaces de comando (eferentes) y de retroalimentación (aferentes) utilizadas con prótesis motorizadas: control mioeléctrico, reinervación muscular dirigida, interfaces de nervios periféricos y los medios para restaurar la sensación táctil y propioceptiva. Se centra en los principios y los hallazgos de investigación, no en la técnica quirúrgica o el ajuste del dispositivo. Tiene un propósito educativo y de referencia, y no ofrece instrucción clínica.

Core questions

• ¿Cómo se extrae la intención de movimiento: de los músculos, de los nervios transferidos o de los nervios periféricos?
• ¿Qué es la reinervación muscular dirigida y por qué mejora el control?
• ¿Cómo se pueden devolver el tacto y la propiocepción a un usuario de prótesis?
• ¿Qué significa que una prótesis sea 'bidireccional'?

Key concepts

• Vías eferentes (de comando) versus aferentes (de retroalimentación)
• Control mioeléctrico de superficie e intramuscular
• Reinervación muscular dirigida
• Interfaces de nervios periféricos (electrodos de manguito e intraneurales)
• Estimulación neural para la sensación táctil
• Prótesis bidireccionales (de ciclo cerrado)
• Encarnación y control intuitivo

Mechanisms

En el lado del comando, los electrodos de superficie o intramusculares registran la actividad electromiográfica de los músculos residuales, que un decodificador mapea a los movimientos de la prótesis. La reinervación muscular dirigida transfiere quirúrgicamente nervios que una vez inervaron la extremidad perdida a músculos de reserva, creando nuevos sitios de control fisiológicamente significativos que producen señales mioeléctricas más ricas para brazos multifunción [kuiken-2009]; las mismas señales decodificadas han impulsado una pierna motorizada en un amputado con transferencias nerviosas [hargrove-2013]. En el lado de la retroalimentación, la estimulación eléctrica a través de electrodos de nervios periféricos puede evocar sensaciones táctiles localizadas referidas a la mano ausente, proporcionando percepciones graduadas y estables a lo largo del tiempo [tan-2014] y, cuando se acopla a sensores en la mano protésica en tiempo real, cerrando el ciclo para un control bidireccional [raspopovic-2014]. Las revisiones catalogan las modalidades de retroalimentación —electrotáctil, vibrotáctil, mecanotáctil y neural directa— utilizadas con este fin [schofield-2014].

Clinical relevance

La restauración del control y la sensación intuitivos se estudia como una forma de hacer que las prótesis sean más fáciles de usar, menos exigentes cognitivamente y más fácilmente incorporadas a la imagen corporal del usuario. Los informes de investigación describen un control multifunción más natural después de la reinervación [kuiken-2009] y la percepción táctil restaurada mediante estimulación nerviosa [tan-2014][raspopovic-2014]. Esta entrada explica los conceptos y resume los hallazgos; no es una guía quirúrgica o clínica, y las técnicas descritas son especializadas y en gran medida experimentales.

Evidence & guidelines

La evidencia consiste principalmente en estudios pequeños y altamente especializados y series de casos que demuestran la viabilidad y la prueba de concepto [kuiken-2009][tan-2014][raspopovic-2014][hargrove-2013], sintetizados por revisiones narrativas de métodos de retroalimentación [schofield-2014]. Muchos enfoques —especialmente las interfaces directas de nervios periféricos y los sistemas totalmente bidireccionales— permanecen en fase de investigación en lugar de ser atención rutinaria, y no existe una guía amplia de estándar de atención para ellos.

History

El control mioeléctrico se ha utilizado en prótesis desde mediados del siglo XX, pero durante mucho tiempo ofreció comandos limitados y no intuitivos, y ninguna retroalimentación sensorial. La reinervación muscular dirigida en la década de 2000 amplió el control intuitivo de los brazos multifunción [kuiken-2009]. En la década de 2010, la estimulación de nervios periféricos comenzó a restaurar el tacto graduado y estable [tan-2014] y se integró con sensores protésicos para crear manos bidireccionales en tiempo real [raspopovic-2014], moviendo el campo del control unidireccional hacia interfaces de ciclo cerrado.

Debates

Interfaces no invasivas versus invasivas

El control mioeléctrico de superficie y la retroalimentación basada en la piel son no invasivos y de menor riesgo, pero ofrecen señales más gruesas, mientras que las interfaces de nervios y músculos implantados prometen un control y una sensación más selectivos y naturales a costa de la cirugía y las preocupaciones sobre la estabilidad a largo plazo.

¿Mejora la retroalimentación sensorial añadida la función en el mundo real?

La sensación restaurada puede mejorar la encarnación y el rendimiento en ciertas tareas en estudios, pero aún se está estableciendo si produce ganancias funcionales duraderas y generalizables en el uso diario.

Seminal works

• kuiken-2009
• tan-2014
• raspopovic-2014

Frequently asked questions

¿Qué es la reinervación muscular dirigida?

Es un procedimiento quirúrgico que transfiere nervios que una vez controlaron la extremidad amputada a los músculos restantes. Cuando el usuario piensa en mover la extremidad ausente, esos músculos se contraen, produciendo señales eléctricas que una prótesis mioeléctrica puede leer para un control más intuitivo.

¿Puede una mano protésica permitir al usuario sentir el tacto?

Las prótesis de investigación han restaurado el sentido del tacto estimulando eléctricamente los nervios periféricos del usuario en patrones vinculados a sensores en la mano. Estos sistemas bidireccionales siguen siendo en gran medida experimentales en lugar de dispositivos clínicos estándar.