- Rehabilitación
- Interfaz cerebro-cerebro
- Prótesis y ortesis
- bicompatibilidad
- Enfermedades neurodegenerativas
- Enfermedades del neurodesarrollo
- Enfermedades psiquiátricas
- Cognición
- Neurociencia Computacional
- Procesamiento de señales biológicas
Interfaz cerebro-cerebro
Esta línea de investigación consiste en un enfoque completamente nuevo para el uso de la interfaz cerebro-máquina (IMC). En la Interfaz Cerebro-Cerebro (BBI), se implantan microelectrodos en el cerebro, en regiones relacionadas con la percepción sensoriomotora. Permiten la transferencia en tiempo real de información táctil y visomotora. BBI se puede aplicar a otros sistemas, como la transferencia de información desde el hipocampo relacionada con la memoria.
BBI tiene el potencial de desarrollar un canal de comunicación entre sujetos para muchos usos y aplicaciones. Sin embargo, ¿qué propiedades surgirán de este nuevo sistema? ¿Qué cambia en el cerebro de los sujetos desde el momento en que empiezan a cooperar a través de un BBI para lograr un objetivo conductual común? Esta línea de investigación pretende investigar las propiedades emergentes de este nuevo sistema y sus características computacionales y biológicas resultantes de la interconexión de cerebros.
Desde la perspectiva computacional, se pueden probar muchas configuraciones de las redes neuronales para obtener un código robusto que permita que la actividad eléctrica cerebral de un sujeto sirva información para uno o más individuos. Aparte de eso, se pueden desarrollar nuevos dispositivos neuroprotésicos y se pueden evaluar los efectos de la neuroplasticidad cortical asociada con el uso de estos dispositivos.
Biocompatibilidad
El uso de prótesis neuronales se ha generalizado 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 neural al electrodo aún no están bien establecidos, ya que la prótesis neural, aunque fabricada con materiales biocompatibles, es ajena al organismo. Aparte de eso, un prerrequisito importante de las prótesis neurales es obtener y mantener una señal estable en el Sistema Nervioso Central durante un largo período de tiempo sin causar alteraciones estructurales, celulares y metabólicas que puedan comprometer el rendimiento del dispositivo y/o resultar en degeneración del tejido alrededor del implante del electrodo.
De esta forma, la línea de investigación de biocompatibilidad pretende investigar la respuesta de los tejidos al dispositivo neuronal. Estudios recientes han demostrado que las células que residen en el Sistema Nervioso Central, como la microglía y los astrocitos, tienen un papel importante en la respuesta inflamatoria al implante. Sin embargo, aún está por establecer qué metabolitos podrían producir estas células y cuáles son las estrategias que se pueden utilizar para obtener una captura duradera de la señal de las prótesis neuronales. Otro aspecto interesante es la evaluación de la respuesta tisular a diferentes tipos de materiales biocompatibles en diferentes regiones del Sistema Nervioso Central.
Enfermedades neurodegenerativas
Se trata de trastornos crónicos caracterizados por la muerte progresiva de las células cerebrales. Las dos enfermedades neurodegenerativas más comunes en el mundo son el Alzheimer y el 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 bien. En este trastorno se produce la pérdida progresiva de células cerebrales 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, el Parkinson se define como una disfunción motora con tres síntomas cardinales: temblor en reposo, rigidez muscular y lentitud de movimientos (bradicinesia). Sin embargo, suelen estar presentes muchos síntomas no motores, como estreñimiento, disfunción urinaria, alteraciones del sueño, depresión y deterioro cognitivo, algunos de los cuales se observan incluso antes de la manifestación de los síntomas motores.
No existe cura para el Parkinson. Hasta el momento no existen estrategias terapéuticas desarrolladas que sean capaces de revertir o ralentizar la progresión de la enfermedad. Los tratamientos disponibles son capaces de aliviar algunos de los síntomas, pero su uso crónico tiene muchos efectos colaterales.
En ese contexto, el Instituto Santos Dumont desarrolla proyectos que tienen como objetivo caracterizar las alteraciones electrofisiológicas, moleculares e histológicas relacionadas con la enfermedad de Parkinson. Además de eso, el Instituto también desarrolla proyectos que tienen como objetivo evaluar los efectos crónicos y agudos de tratamientos alternativos a la afección, como la estimulación espinal, y los compara con muchos tratamientos utilizados actualmente, como la administración de levodopa y la estimulación cerebral profunda.
Enfermedades del neurodesarrollo
La epidemia del virus Zika ocurrida entre 2014-2016 generó una grave amenaza en el ámbito socioeconómico, especialmente por su desmedida demanda que recayó sobre parte de la población más vulnerable que es usuaria de los servicios de salud, generando un gran impacto en la población. sistema de salud. Los casos más graves de Zika pavance a complicaciones en el Sistema Nervioso Central, como microcefalia en bebés de madres que tuvieron Zika durante el embarazo.
Aún no se comprenden bien los medios por los que se afecta el sistema nervioso central en muchos de los pacientes. Se estima que más de 4 mil personas nacieron con microcefalia debido a la infección congénita del virus Zika, con diferentes grados de manifestación de los síntomas.
Ante este escenario, creemos en la urgencia de desarrollar investigaciones científicas sobre prácticas que puedan mejorar la calidad de vida de esta generación de niños. El Instituto Santos Dumont cuenta con sus dos unidades, el Centro de Educación en Salud Anita Garibaldi (Anita) y el Instituto Internacional de Neurociencias Edmond y Lily Safra (IIN-ELS) para, juntos, estudiar y proponer posibles intervenciones capaces de descubrir nuevas perspectivas. para el tratamiento y mejora de la calidad de vida de los niños nacidos con el síndrome.
Enfermedades psiquiátricas
La neurobiología adyacente a estas enfermedades aún es muy poco conocida, lo que dificulta el desarrollo de nuevas terapias. En el Instituto Santos Dumont desarrollamos investigaciones que tienen como objetivo estudiar las alteraciones electrofisiológicas en diferentes estructuras corticales y subcorticales en diferentes trastornos psiquiátricos, como la ansiedad, la manía o la esquizofrenia. Estos proyectos también implican la evaluación del uso de técnicas de neuromodulación como estrategias terapéuticas para estas enfermedades.
Cognición
Las neurociencias cognitivas tienen como objetivo comprender las bases neuronales de fenómenos cognitivos como el aprendizaje, la percepción, la toma de decisiones y las interacciones sociales. En el Instituto Santos Dumont estudiamos cómo las redes neuronales ampliamente distribuidas en la corteza cerebral discriminan el estímulo táctil de forma precisa en un corto período de tiempo, codificando y procesando el estímulo recibido.
Además, existen investigaciones desarrolladas en el campo de la cognición social, con foco en el estudio de la comunicación visual, especialmente de los mecanismos neuronales implicados en la percepción y discriminación de estímulos vocales. Para lograr tales objetivos utilizamos técnicas invasivas de registro electrofisiológico durante tareas táctiles o auditivas de detección y discriminación.
Neurociencia Computacional
La línea de investigación de Neurociencia Computacional tiene como objetivo construir modelos computacionales de fenómenos físicos y biológicos observados en diferentes escalas neuronales. Con estos modelos es posible, por ejemplo, simular la dinámica de los canales iónicos y la sinapsis, la posible evolución de la acción en una o varias neuronas, el flujo de información de una red neuronal o incluso la integración de grandes poblaciones neuronales.
De esta manera, la neurociencia computacional contribuye a la comprensión de los mecanismos actuales implicados en los sistemas neuronales, así como a la creación y prueba de nuevas hipótesis. Se trata de una línea de investigación muy interdisciplinar que requiere de una interacción constante entre profesionales de las ciencias humanas, aplicadas y biológicas para mejorar estos modelos.
La plataforma de desarrollo es mayoritariamente la computadora, la cual se complementa con unidades gráficas de procesamiento paralelo, circuitos integrados programables y robots. En el campo de la neurociencia computacional, existen trabajos desarrollados en temas como Inteligencia Artificial (IA), Aprendizaje Automático, Ciencia Cognitiva y Conciencia.
Procesamiento de señales biológicas
El procesamiento de señales biológicas consiste en la aplicación de herramientas matemáticas y computacionales sobre un objeto que, en ese caso, son las señales biológicas. Todos los seres vivos son también entidades físicas y es posible percibir funciones biológicas mediante la observación de fenómenos físicos. Por ejemplo, la variación del potencial eléctrico del corazón durante un largo período de tiempo es un signo biológico y, si se mide y se representa gráficamente, se llama electrocardiograma.
Del mismo modo es posible medir el potencial eléctrico de la actividad cerebral, y eso es lo que llamamos electroencefalografía (EEG). Se pueden utilizar muchas herramientas matemáticas para extraer información del EEG, y eso permite, por ejemplo, inferir si alguien está despierto o dormido, en qué fase del sueño se encuentra o incluso si un paciente está en coma. o estado de muerte cerebral.
Recientemente, se han solicitado técnicas de procesamiento de señales para realizar interacciones entre individuos y máquinas, utilizando únicamente señales eléctricas cerebrales. Esta técnica se conoce como Interfaz Cerebro-Máquina, y tiene un gran potencial de aplicación no sólo para personas con discapacidad, sino también para crear nuevos medios de interacción con los ordenadores y posiblemente atribuir nuevas habilidades a los humanos.
Actualmente, el procesamiento de señales biológicas es una disciplina que despierta interés en muchas áreas del conocimiento, como la Ingeniería Biomédica, la Biomedicina y la Medicina, que han experimentado muchos rápidos avances y oportunidades en esa área.
