Interfaz cerebro-cerebro: Esta línea de investigación es un enfoque completamente nuevo para el uso de interfaces cerebro-máquina. En la interfaz cerebro-cerebro (ICC), microelectrodos implantados en el cerebro, en regiones relacionadas con la percepción sensoriomotora, permiten la transferencia de información en tiempo real entre dos o más sujetos experimentales. Además de la transferencia de información táctil o visomotora, ICC se puede aplicar a otros sistemas, como la transferencia de información relacionada con la memoria desde el hipocampo.

Las CCI tienen el potencial de desarrollar una canal de comunicacion entre materias para los más diversos fines y aplicaciones. Sin embargo, ¿qué propiedades surgirán de este nuevo sistema? Qué cambios en el cerebro de los sujetos desde el momento en que empiezan a cooperar a través de una CPI para lograr un objetivo de comportamiento común? Esta línea de investigación pretende investigar las propiedades emergentes de este nuevo sistema, las características computacionales y biológicas resultantes de múltiples cerebros interconectados.

Desde un punto de vista computacional, varias configuraciones de redes neuronales se puede probar para obtener un código robusto que permita que la actividad eléctrica del cerebro de un sujeto sirva como información para otro o más individuos. Además, nuevos dispositivos neuroprotésicos se pueden desarrollar, así como se pueden evaluar los efectos de la neuroplasticidad cortical asociada al uso de estos dispositivos.

Biocompatibilidad: El uso de prótesis neurales se ha extendido cada vez más debido a su prometedora aplicación en sistemas de interfaz cerebro-máquina. Dichos sistemas tienen como objetivo la rehabilitación de pacientes con lesión de la médula espinal o el tratamiento de patologías de origen neurológico, como la epilepsia, el dolor crónico y la enfermedad de Parkinson.

Sin embargo, los mecanismos implicados en la respuesta del tejido al electrodo, ya que la prótesis neural, aunque esté fabricada con materiales biocompatibles, es un cuerpo extraño para el organismo. Además, un requisito previo importante para las prótesis neurales es garantizar el mantenimiento de una señal estable en el sistema nervioso central (SNC) durante un largo período de tiempo sin provocar cambios estructurales, celulares o metabólicos capaces de comprometer el rendimiento del dispositivo y/o provocar la degeneración del tejido alrededor del implante del electrodo.

Por ello, la línea de investigación de biocompatibilidad tiene como objetivo investigar la respuesta de los tejidos al dispositivo neuronal. Trabajos recientes han demostrado que células residentes en el SNC como la microglia y los astrocitos juegan un papel importante en la respuesta inflamatoria a la implantación neural. Sin embargo, aún no está bien establecido qué metabolitos pueden producir estas células y qué estrategias pueden usarse para garantizar una mayor durabilidad de la señal capturada mediante prótesis neurales. También es interesante evaluar la respuesta tisular a diferentes tipos de materiales biocompatibles en diferentes regiones del SNC.

Enfermedades neurodegenerativas: Son trastornos crónicos caracterizados por la muerte progresiva de las neuronas. Las dos enfermedades neurodegenerativas más comunes en el mundo son Alzheimer y Parkinson.

La enfermedad de Parkinson es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común en el mundo y afecta al 1% de la población mayor de 60 años. Su etiología y fisiopatología aún no se conocen poco. En este trastorno hay pérdida progresiva de neuronas que producen el neurotransmisor dopamina. La dopamina modula la actividad del circuito ganglios basales-tálamo-corteza, una red implicada en el control motor.

Por tanto, la enfermedad de Parkinson se define como una disfunción motora con 3 síntomas cardinales: Temblor en reposo, rigidez muscular y lentitud de movimiento. (bradicinesia). Sin embargo, normalmente están presentes varios síntomas no motores, como estreñimiento, disfunción urinaria, trastornos del sueño, depresión y deterioro cognitivo, y algunos de ellos se observan incluso antes de la manifestación de los síntomas motores.

El Parkinson no tiene cura. Hasta la fecha no se han desarrollado estrategias terapéuticas capaces de detener, revertir o ralentizar la progresión de la enfermedad. Los tratamientos disponibles actualmente son capaces de aliviar algunos síntomas, pero su uso crónico provoca una serie de efectos secundarios.

En este contexto, el IIN-ELS desarrolla proyectos que tienen como objetivo caracterizar la cambios electrofisiológicos, moleculares e histológicos. relacionado con la enfermedad de Parkinson. Además, se están desarrollando proyectos que evalúan los efectos agudos y crónicos de tratamientos alternativos para la enfermedad, como la estimulación de la médula espinal, y los comparan con diversos tratamientos utilizados actualmente, como la administración de levodopa y la estimulación cerebral profunda.

Enfermedades del neurodesarrollo: La epidemia de Zika Desencadenado entre 2014-2016, provocó una grave amenaza en el ámbito social y económico, especialmente por la demanda excesiva de la población más vulnerable a los servicios de salud, generando grandes impactos y daños a la salud pública. Los casos más graves de Zika progresan hacia complicaciones en el sistema nervioso central (SNC), como microcefalia en bebes de madres que tuvieron Zika durante el embarazo.

Los mecanismos por los que se ve afectado el SNC sólo en una parte de los pacientes aún no se conocen bien. Se estima que más de 4.000 niños nacieron con microcefalia por infección congénita por ZIKV, con distintos grados de afectación.

Ante este escenario, creemos que existe una necesidad urgente y evidente de investigar el desarrollo de prácticas que permitan mejorando la calidad de vida de esta generación de niños afectados. El Instituto Santos Dumont (ISD) cuenta con el IIN-ELS y también con el Centro de Educación e Investigación en Salud Anita Garibaldi (CEPS) que, en conjunto, se proponen estudiar posibles intervenciones capaz de abrir nuevas perspectivas de tratamiento y mejorar la calidad de vida de las personas con este síndrome tan extendido en el país.

Enfermedades psiquiátricas: Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), las enfermedades psiquiátricas se caracterizan por alteraciones en la cognición, la regulación emocional o el comportamiento de un individuo. Actualmente se estima que alrededor 450 millones de personas tener algún tipo de trastorno psiquiátrico, y estos trastornos constituyen las enfermedades neurológicas más comunes en adultos jóvenes. Sin embargo, entre 10 y 20% de pacientes no responden a ninguna terapia farmacológica disponible.

La neurobiología subyacente a estas enfermedades aún es muy poco conocida, lo que dificulta el desarrollo de nuevas terapias. En el IIN-ELS se realizan investigaciones para estudiar la cambios electrofisiológicos de diversas estructuras corticales y subcorticales en modelos de trastornos psiquiátricos, como ansiedad, manía y esquizofrenia. Estos proyectos también implican evaluar el uso de neuromodulación como estrategias terapéuticas para estas enfermedades.

Cognición: La neurociencia cognitiva busca comprender las bases neuronales de fenómenos cognitivos como Aprendizaje, percepción, toma de decisiones e interacciones sociales.. En el IIN-ELS estudiamos cómo redes neuronales Ampliamente distribuidas en la corteza cerebral, discriminan el estímulo táctil con precisión y en un corto periodo de tiempo, codificando y procesando el estímulo recibido.

Además, se realizan investigaciones en el área de cognición social, centrándose en el estudio de comunicación vocal, especialmente los mecanismos neuronales implicados en la percepción y discriminación de estímulos vocales. Para lograr estos objetivos, se utilizan técnicas de registro electrofisiológico invasivo simultáneamente en múltiples regiones del cerebro durante tareas de detección y discriminación táctiles o auditivas.

Neurociencia Computacional: ¿Cuáles son los principios computacionales asociados con el funcionamiento del sistema nervioso? ¿Cuáles son las bases neuronales de la memoria, el aprendizaje y la conducta?

La línea de investigación en Neurociencia Computacional tiene como objetivo construir modelos computacionales de fenómenos físicos y biológicos observado en las más diversas escalas neuronales. Con estos modelos es posible, por ejemplo, simular la dinámica de los canales iónicos y las sinapsis, la evolución del potencial de acción de una o varias neuronas, el flujo de información en una red neuronal o incluso la interacción entre grandes poblaciones neuronales.

De esta forma, la neurociencia computacional contribuye a la comprensión de los mecanismos presentes en los sistemas neuronales así como a la elaboración y prueba de nuevas hipótesis. Este es un muy interdisciplinario, lo que requiere de una interacción constante entre profesionales de las ciencias humanas, exactas y biológicas para mejorar los modelos.

La plataforma de desarrollo es, sobre todo, el ordenador, complementado por unidades gráficas de procesamiento paralelo (GPU), circuitos integrados programables (FPGA) y robots. Dentro del contexto de la neurociencia computacional se incluyen temas como la inteligencia artificial, el aprendizaje automático, las ciencias cognitivas y la conciencia.

Procesamiento de señales biológicas: El procesamiento de la señal consiste en aplicar herramientas matemáticas y computacionales sobre un objeto que, en este caso, son señales biológicas. Todos los seres vivos son también entidades físicas y es posible percibir funciones biológicas observando fenómenos físicos. Por ejemplo, la variación en el potencial eléctrico del corazón durante un período de tiempo es una señal biológica, y si se mide y se representa gráficamente, se llama electrocardiograma.

De la misma manera, es posible medir la potencial eléctrico de la actividad cerebral, que se llama electroencefalograma (EEG). Se pueden utilizar numerosas herramientas matemáticas para extraer información de la señal EEG, lo que permite, por ejemplo, inferir si una persona está despierta o dormida, en qué etapa del sueño se encuentra o incluso si un paciente está en coma o muerte cerebral.

Recientemente, se han solicitado técnicas de procesamiento de señales para realizar la Interacción de personas con máquinas., utilizando únicamente señales eléctricas del cerebro. Esta técnica pasó a ser conocida como interfaz cerebro-máquina y tiene un gran potencial de aplicación tanto para personas con necesidades especiales como para dotar de nuevas habilidades al ser humano, como mayor fuerza o nuevas formas de interactuar con los ordenadores.

Actualmente, el procesamiento de señales biológicas es una disciplina que despierta interés en varias áreas del conocimiento., como ingeniería biomédica, biomedicina y medicina, ha experimentado rápidos avances y presenta muchas oportunidades.