Científicos europeos proponen un protocolo personalizado para optimizar la estimulación de las fibras del nervio óptico en personas invidentes, que tiene en cuenta la retroalimentación del cerebro del espectador, según publican en la revista 'Patterns'.
El protocolo, que se probará en ensayos clínicos con socios en Roma, ha sido testado en redes neuronales artificiales conocidas por simular la fisiología de todo el sistema visual, desde el ojo hasta la corteza visual.
La estimulación del sistema nervioso con neurotecnología ha abierto nuevas vías para el tratamiento de trastornos humanos, como brazos y piernas protésicos que devuelven el sentido del tacto a los amputados, puntas de los dedos protésicas que proporcionan una respuesta sensorial detallada con una resolución de tacto variable y estimulación intraneural para ayudar a los ciegos proporcionándoles sensaciones de la vista.
Los científicos de una colaboración europea han demostrado que la estimulación del nervio óptico es una neurotecnología prometedora para ayudar a los ciegos, con la limitación de que la tecnología actual sólo puede proporcionar señales visuales simples.
La intención de los científicos es diseñar estas señales visuales simples para que sean significativas a la hora de ayudar a los ciegos en su vida diaria
Sin embargo, la intención de los científicos es diseñar estas señales visuales simples para que sean significativas a la hora de ayudar a los ciegos en su vida diaria. La estimulación del nervio óptico también evita procedimientos invasivos como la estimulación directa de la corteza visual del cerebro. Pero, ¿cómo se puede optimizar la estimulación del nervio óptico para producir sensaciones visuales consistentes y significativas?
FORMA PROMETEDORA DE DESARROLLAR SEÑALES VISUALES PERSONALIZADAS
Ahora, los resultados de una colaboración entre la EPFL, la Scuola Superiore Sant'Anna y la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, en Italia, muestran que un nuevo protocolo de estimulación del nervio óptico es una forma prometedora de desarrollar señales visuales personalizadas para ayudar a los ciegos, que también tienen en cuenta las señales de la corteza visual.
El protocolo se ha probado por el momento en redes neuronales artificiales conocidas por simular todo el sistema visual, denominadas redes neuronales convolucionales (CNN) que se suelen utilizar en visión por ordenador para detectar y clasificar objetos. Los científicos también realizaron pruebas psicofísicas en diez sujetos sanos que imitan lo que se vería con la estimulación del nervio óptico, demostrando que la identificación de objetos con éxito es compatible con los resultados obtenidos con la CNN.
"No sólo tratamos de estimular el nervio óptico para provocar una percepción visual. Estamos desarrollando una forma de optimizar los protocolos de estimulación que tenga en cuenta cómo responde todo el sistema visual a la estimulación del nervio óptico", explica Simone Romeni, científica de la EPFL y primera autora del estudio.
"La investigación muestra que se puede optimizar la estimulación del nervio óptico utilizando enfoques de aprendizaje automático. Muestra de forma más general todo el potencial del aprendizaje automático para optimizar los protocolos de estimulación de los dispositivos neuroprotésicos", prosigue Silvestro Micera, titular de la Cátedra de Ingeniería Neural Traslacional de la Fundación Bertarelli de la EPFL y profesor de Bioelectrónica en la Scuola Superiore Sant'Anna.
ELECTRODOS INTRANEURALES
La idea es estimular el nervio óptico para inducir fosfenos, la sensación de luz en una región del campo visual. Los científicos de la EPFL planean utilizar electrodos intraneurales, es decir, que atraviesen el nervio en lugar de envolverlo, pero la imagen percibida resultante sigue teniendo enormes limitaciones.
La idea es estimular el nervio óptico para inducir fosfenos, la sensación de luz en una región del campo visual
La limitación proviene de la fisiología del nervio óptico en comparación con las dimensiones de la tecnología de los electrodos. El electrodo intraneural consta de puntos de estimulación, y éstos son pocos en comparación con los millones de axones agrupados en el nervio óptico, que no tienen más que unos pocos milímetros de diámetro. En otras palabras, un sitio de estimulación determinado llega a cientos o miles de fibras nerviosas o axones circundantes procedentes de la retina, lo que da lugar a una estimulación eléctrica muy gruesa.
Ajustar esta estimulación eléctrica gruesa es un reto importante para todas las neuroprótesis en general, pero aún más para las señales ópticas, que son extremadamente complejas en comparación con las señales que proporcionan retroalimentación sensorial de las extremidades superiores e inferiores, por ejemplo.
EL PRIMERO QUE PRESENTA UNA OPTIMIZACIÓN AUTOMÁTICA
El trabajo de los científicos es el primero que presenta una optimización automática de los protocolos de estimulación del nervio óptico. "El avance conceptual más relevante está relacionado con el hecho de que, por primera vez, hemos definido el problema de la optimización de la estimulación nerviosa "cerrando el bucle" de los patrones de activación cortical", explica Romeni.
"En nuestro modelo, la idea de que podíamos explotar las señales corticales para guiar la estimulación nerviosa produjo resultados comparables y mejores que el óptimo teórico de los enfoques actuales de la optimización de la estimulación nerviosa", añade.
"Nuestro estudio demuestra que es posible provocar los patrones de actividad deseados en las capas profundas de una CNN que simulan áreas visuales corticales. El siguiente paso es comprender qué patrones deben evocarse para inducir percepciones de objetos visuales arbitrarios", continúa Davide Zoccolan, profesor de Neurofisiología y jefe del Laboratorio de Neurociencia Visual de SISSA.
En este sentido, señala que, para afrontar este reto, están trabajando ahora en la construcción de modelos predictivos de las respuestas neuronales basados en CNNs. "Estos modelos aprenderán la "sintonía" de las neuronas corticales visuales basándose en sus respuestas a una batería de imágenes visuales, descubriendo así el mapeo entre el espacio de la imagen y el espacio de la respuesta que es fundamental para la restauración de la vista", adelanta.
Por el momento, los electrodos intraneurales de la EPFL aún no se han probado en personas. Con los ensayos clínicos previstos para el próximo año en colaboración con socios italianos en el Policlínico Gemelli de Roma, el mismo lugar donde se realizaron implantes para amputados de manos, los científicos se preguntan qué verán realmente los futuros voluntarios.
"La traslación a los pacientes exigirá hacer frente a la variabilidad entre sujetos, un problema bien conocido en neuroprótesis. Estamos lejos de entenderlo todo sobre el sistema nervioso y sabemos que la tecnología actual tiene limitaciones intrínsecas. Nuestro método ayudará a abordar ambas cosas y a tratar la forma en que el cerebro interpreta la estimulación, lo que esperamos que conduzca a protocolos más naturales y eficaces", dice Romeni.
Los retos son tremendos, pero los científicos están dando los pasos necesarios para convertir la visión en realidad.