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Neural prosthetic devices implanted in the brain’ s movement center, the motor cortex, can allow patients with amputations or paralysis to control the movement of a robotic limb—one that can be either connected to or separate from the patient’ s own limb. However, current neuroprosthetics produce motion that is delayed and jerky—not the smooth and seemingly automatic gestures associated with natural movement. Now, by implanting neuroprosthetics in a part of the brain that controls not the movement directly but rather our intent to move, Caltech researchers have developed a way to produce more natural and fluid motions.

Example of an fMRI scan used for targeting the device implantation location.

In a clinical trial, the Caltech team and colleagues from Keck Medicine of USC have successfully implanted just such a device in a patient with quadriplegia, giving him the ability to perform a fluid hand-shaking gesture and even play “rock, paper, scissors” using a separate robotic arm.

The results of the trial, led by principal investigator Richard Andersen, the James G. Boswell Professor of Neuroscience, and including Caltech lab members Tyson Aflalo, Spencer Kellis, Christian Klaes, Brian Lee, Ying Shi and Kelsie Pejsa, are published in the May 22 edition of the journal Science.

“When you move your arm, you really don’ t think about which muscles to activate and the details of the movement—such as lift the arm, extend the arm, grasp the cup, close the hand around the cup, and so on. Instead, you think about the goal of the movement. For example, ‘ I want to pick up that cup of water,’” Andersen says. “So in this trial, we were successfully able to decode these actual intents, by asking the subject to simply imagine the movement as a whole, rather than breaking it down into myriad components.”

For example, the process of seeing a person and then shaking his hand begins with a visual signal (for example, recognizing someone you know) that is first processed in the lower visual areas of the cerebral cortex. The signal then moves up to a high-level cognitive area known as the posterior parietal cortex (PC). Here, the initial intent to make a movement is formed. These intentions are then transmitted to the motor cortex, through the spinal cord, and on to the arms and legs where the movement is executed.

High spinal cord injuries can cause quadriplegia in some patients because movement signals cannot get from the brain to the arms and legs. As a solution, earlier neuroprosthetic implants used tiny electrodes to detect and record movement signals at their last stop before reaching the spinal cord: the motor cortex.

The recorded signal is then carried via wire bundles from the patient’ s brain to a computer, where it is translated into an instruction for a robotic limb. However, because the motor cortex normally controls many muscles, the signals tend to be detailed and specific. The Caltech group wanted to see if the simpler intent to shake the hand could be used to control the prosthetic limb, instead of asking the subject to concentrate on each component of the handshake—a more painstaking and less natural approach.

Andersen and his colleagues wanted to improve the versatility of movement that a neuroprosthetic can offer by recording signals from a different brain region—the PC. “The PC is earlier in the pathway, so signals there are more related to movement planning—what you actually intend to do—rather than the details of the movement execution,” he says. “We hoped that the signals from the PC would be easier for the patients to use, ultimately making the movement process more intuitive. Our future studies will investigate ways to combine the detailed motor cortex signals with more cognitive PC signals to take advantage of each area’ s specializations.”

In the clinical trial, designed to test the safety and effectiveness of this new approach, the Caltech team collaborated with surgeons at Keck Medicine of USC and the rehabilitation team at Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center. The surgeons implanted a pair of small electrode arrays in two parts of the PC of a quadriplegic patient. Each array contains 96 active electrodes that, in turn, each record the activity of a single neuron in the PC. The arrays were connected by a cable to a system of computers that processed the signals, decoded the intent of the subject, and controlled output devices that included a computer cursor and a robotic arm developed by collaborators at Johns Hopkins University.

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Introducción.

La ciencia y la tecnología han aportado incuestionables resultados a la Humanidad, sin embargo a más de veinte siglos de civilización del planeta, el ser humano afronta la inexcusable necesidad de rectificar estilos y formas de desarrollo económico, que de continuar su desenfrenado ritmo, amenazan agotar para siempre recursos inapreciables del patrimonio universal, y lo que es peor, comprometer la existencia misma de las futuras generaciones de seres humanos (Clark, 1998).

Sobre el particular, Castro, F(1992), señaló que “los portentosos avances de la ciencia y la tecnología se multiplican diariamente, pero sus beneficios no llegan a la mayoría de la Humanidad, y siguen estando en lo fundamental al servicio de un consumismo irracional que derrocha los recursos limitados y amenaza gravemente la vida en el planeta”.

El desarrollo científico y tecnológico es una de los factores más influyentes sobre la sociedad contemporánea. La globalización mundial, polarizadora de la riqueza y el poder, sería impensable sin el avance de las fuerzas productivas que la ciencia y la tecnología han hecho posibles. Así también es inobjetable, que en los momentos actuales abordar la relación naturaleza – sociedad, como procesos que interaccionan, tiene una importancia significativa, se trata de explicar el comportamiento de la humanidad ante los retos de la Revolución Científica Técnica, que si bien ha constituido un gran salto en la acumulación de saberes humanos, también ha propiciado la acelerada destrucción y apropiación irracional del medio ambiente, con la consecuente derivación hacia problemas tales como: aumento poblacional, salud, vivienda, educación, alimentos e incluso conflictos armados.

La situación global de la protección del medio ambiente se caracteriza por el carácter global y la urgencia que ha adquirido el debate ecológico en la contemporaneidad, manifestándose éste por todo un amplio espectro de rasgos que gravitan negativamente en todos los confines de la sociedad y la economía planetarias, en tanto que ha surgido un nuevo debate ético: el motivado por los cambios ambientales que a escalas global y local afectan a toda la Humanidad.

Pueden citarse diversos hechos harto elocuentes de tan relevante estado de cosas, como son entre otros: la internacionalización que ha adquirido el fenómeno ambiental, el grado de concienciación alcanzado sobre los problemas ecológicos globales, el surgimiento de un fuerte movimiento de organizaciones no gubernamentales (ONGs) de corte ambientalista, así como los compromisos formales de muchos estados y gobiernos en hacer reversible el deterioro del entorno al más corto plazo de tiempo posible.

Sin lugar a equívocos, ante tal desafío el planeta se divide entre dos grandes grupos de países, de una parte una minoría industrializada, poderosa y rica, con un alto desarrollo de la ciencia y la tecnología y una mayoría atrasada, pobre y desposeída, con un incipiente desarrollo científico técnico, dotadas ambas con marcadas diferencias en el nivel de vida, pero semejantes al compartir una baja calidad de vida. Recordemos que más del 90 % de la capacidad científica y tecnológica mundial está en manos de un reducido grupo de países y algunos centenares de grandes corporaciones transnacionales. Tal proceso de concentración es parte del proceso de marginalización que la actual globalización reserva para numerosos grupos humanos y países. La ciencia y la tecnología son parte de la dinámica de concentración de riqueza y poder.

Es precisamente en el seno de los países poderosos donde se encuentra el origen de la pobreza ambiental predominante en el mundo de hoy, al imponer a la Humanidad los actuales patrones de desarrollo, donde ha predominado la ignorancia ambiental, junto a la avaricia, el egoísmo y la necedad propias de la especie humana.

Mientras que de una parte, la minoría de la Humanidad se aísla en un ambiente de consumismo, artificial enajenado y pobre en sus componentes sociales y ecológicos, la otra parte minoritaria, subsiste en precarias condiciones de vida, matizada por la agonía que representa el círculo vicioso donde se opta por la pobreza, el hambre, la insalubridad, el analfabetismo, el deterioro ambiental y otras secuelas derivadas del estilo de desarrollo impuesto desde el Norte del mundo.

Son diversos los problemas ocasionados por el ser humano al medio ambiente, pues de hecho se asiste a una profunda crisis ambiental, originada por la especie biológica más poderosa, que ha crecido en población de forma desmedida en los últimos lustros (de 160 millones de habitantes en 1950, a 500 millones en el 2000); ha realizado un uso irracional de los recursos y condiciones naturales, al sobrepasar las capacidades de renovación de los mismos; ha ejecutado una despiadada deforestación (dos millones de kilómetros cuadrados, a un ritmo anual de cincuenta mil kilómetros cuadrados); ha erosionado y desertificado los suelos (un total de dos millones de kilómetros cuadrados, equivalente al 10 % del suelo fértil); ha lacerado los sistemas costeros por las incongruentes construcciones, la contaminación de las aguas y los derrames de hidrocarburos; ha generado una dañina contaminación ambiental a consecuencias de la proliferación y disposición inadecuada de productos químicos, tóxicos, radioactivos y peligrosos en sentido general; así como ha deteriorado la calidad de vida urbana, producto del creciente desabastecimiento y la contaminación de aguas, las dificultades con la disposición final de los residuos sólidos, la polución de la atmósfera, los riesgos de accidentes industriales y las lluvias ácidas entre otros males (PNUMA, 1997).

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