Traducción Del Control Cortical Deun Brazo Prostetico

Control cortical de un brazo prostético para auto-alimentación

El movimiento de brazos está bien representado en poblaciones de neuronas registradas desde la corteza motora1-7. Los patrones de actividad cortical han sido usados en el nuevo campo de interfaces entre cerebro y máquina8-11 para mostrar cómo los cursores en pantallas de computador pueden ser movidos en un espacio bi ytridimensional12-22. Aunque la capacidad para mover un cursor puede ser útil por sí mismo, esta tecnología podría ser aplicada para restaurar funciones de brazos y manos en el caso de personas amputadas y paralizadas. Sin embargo, el uso de señales corticales para controlar un dispositivo prostético con múltiples articulaciones para interacciones en tiempo real con el ambiente físico ('encarnación'[embodiment]) todavía no ha sido demostrado. Aquí describimos un sistema que permite el control prostético encarnada; mostramos cómo los monos (Macaca mulatta) usan la actividad de su motor cortical para control la réplica de un brazo mecanizado en una tarea de auto-alimentación. Además del movimiento en tres dimensiones, las señales corticales del sujeto también controlaron proporcionalmente una agarraderaal final del brazo. Gracias a la interacción física entre el mono, el brazo robótico y los objetos en el área de trabajo, esta nueva tarea presentó un nivel mayor de dificultad que experimentos virtuales (de control de cursores) realizados anteriormente. Aparte de un ejemplo de simple control unidimensional23, los experimentos anteriores han carecido de interacción física incluso en casos en losque un brazo16, 19, 24 o mano20 robóticas fueron incluidas en el loop de control, porque los sujetos no lo usaron para interactuar con objetos físicos - una interacción que no puede ser simulada completamente. Esta demostración de un control prostético encarnado con grado-múltiple-de-libertad pavimenta el camino al desarrollo de dispositivos prostéticos con destreza que podrían en última instanciaalcanzar las funciones de mano y brazo a un nivel casi natural.
A dos monos se les implantaron conectores de microelectrodos intracorticales en sus cortices motores primarios. Cada mono usó las señales para controlar un brazo robótico para alimentarse a sí mismo. Los brazos robóticos utilizados en estos experimentos tenían cinco grados de libertad: tres en el hombro, uno en el codo, y uno en lamano. Como un brazo humano, permitieron flexión/extensión del hombro, abducción/aducción del hombro, rotación interna/externa del brazo y flexión/extensión del codo. La mano consistía de una agarradera motorizada con el movimiento de sus dos "dedos" conectados, entregando control proporcional de la distancia entre ellos. Los monos primero fueron entrenados para operar el brazo usando un joystick(Métodos Suplementarios). Sus propios brazos fueron luego restringidos y el brazo prostético fue controlado con poblaciones de la actividad de puntas de ondas de unidades singulares y múltiples de la corteza motora. La actividad neural fue modulada diferencialmente cuando la comida se presentaba en diferentes ubicaciones frente al mono. A partir de trabajos anteriores24, usamos esta modulaciónpara representar la velocidad del extremo del brazo prostético (un punto entre las puntas de los dedos de la mano/agarradera) como expresión de la intención de mover2, 3. La señal registrada también fue usada por el sujeto para abrir y cerrar la agarradera a medida que cogía y movía la comida a la boca. La velocidad del extremo y la orden de agarrar fueron extraídas de los índices instantáneos deactivación de unidades registradas simultáneamente usando un algoritmo de extracción en tiempo real.
Muchos algoritmos de variada complejidad han sido desarrollados en experimentos de loop-abierto7, 25-27 o loop-cerrado12-24, pero aquí mostramos que un simple algoritmo funcionó bien en esta aplicación. El algoritmo de vector de población (PVA) usado aquí fue similar a algoritmos usados en algunos...