ES2277385T3 - Codificador sensomotor capaz de aprender para neuroprotesis. - Google Patents

Abstract

La invención trata de un codificador sensomotor adaptativo con una unidad central de verificación (3) para funciones de procesamiento de señales, funciones de supervisión, funciones de control y/o funciones de acción externa, con un grupo de filtros espacio-temporales adaptativos, para convertir señales de sensor en secuencias de impulsos de estimulación, y con una interfase (2), para acoplar el codificador (3) a una microestructura implantable (6, 7) para estimular tejido nervioso o glial, siendo bidireccional la interfase. Además de permitir que las células nerviosas sean controladas y activen sustancias a aplicar, la invención permite señales de sensor y par metros de actividad espontánea biofísica que se graban en el lugar de implantación a supervisar.

Description

Codificador sensomotor capaz de aprender para neuroprótesis.

La presente invención se refiere a un codificador sensomotor capaz de aprender, con las características del concepto general de la reivindicación 1, así como a un implante espinal y un implante craneal.

Se conocen varios sistemas como precursores de implantes espinales que determinan, por medio de contactos estimulantes implantados o que actúan a través de la piel, el control de funciones del uréter así como de movimientos de locomoción o de movimientos prensiles, por ejemplo en parapléjicos (ver Eckmiller et al., Neurotechnologie Report, 1994 y 1995).

Los precursores de implantes espinales disponibles por el momento, o en estado de desarrollo, tienen diversas limitaciones, p.e. no son capaces de aprender, y carecen de un control bidireccional basado en la percepción por parte del portador del implante.

En especial las estructuras de microcontactos desarrolladas hoy en día para una implantación, así como los sistemas de transmisión de señales y de energía, trabajan unidireccionalmente del codificador externo al estimulador implantado, y por tanto no ofrecen la posibilidad de un control continuado de la actividad de impulsos de las neuronas estimuladas. Por ello la secuencia de pulso de estimulación no puede ser adaptada a la actividad espontánea de las neuronas. Aparte de esto no puede ser vigilada directamente la provocación de impulsos neurobiológicos por pulsos de estimulación. Además falta la posibilidad de vigilancia segura de impulsos para una posible sintonización temporal y sincronización de las secuencias de impulsos de varias neuronas.

Existen aisladamente ideas incipientes para el desarrollo de aplicadores de sustancias activas implantados y dirigidos conforme demanda, p.e. para insulina, pero no existen hasta ahora implantes craneales capaces de aprender que hayan sido aplicados con éxito. No hay a disposición implantes craneales que se necesitan urgentemente por ejemplo para la aplicación local, desencadenada por acontecimientos, de sustancias activas para la supresión de incipientes ataques epilépticos.

En la US 4,146,029 se revela un dispositivo para la aplicación regular y dirigida según la demanda, de medicamentos en el corazón. En este estado de la técnica se registra el desarrollo de la tensión del electrocardiograma en el músculo cardíaco, para determinar su actividad. De manera análoga en la US 4,146,029 se procede a la detección y actoricidad en el músculo. Del estado de la técnica (US 5,501,703) se conoce además el aplicar una disposición de p.e. 9 electrodos, con los cuales pueden ser estimuladas en total varios millones de células o fibras nerviosas. A causa del procedimiento revelado en la US 5,501,703 queda patente que la recarga global de una región muy extensa del sistema nervioso con campos eléctricos a través de electrodos de gran superficie, no se presta para la estimulación de unas pocas o incluso de una sola célula. En la US 5,501,703 tampoco queda explícito si se prevé una vigilancia de la respuesta a impulso de las células nerviosas.

En Eckmiller et al. (Concerning the development of retina implants with neural nets; Proceedings of 1996 International Conference On Neural Information Processing; ICONIP 1996, 1996 Singapore, Springer-Verlag, Singapore, S.21-28, Vol.1) se propone un implante de retina que debería cumplir diversos requisitos, efectuándose la comunicación entre el codificador de retina y los microcontactos unidireccionalmente.

El cometido de la invención es eliminar estas desventajas y crear un codificador sensomotor capaz de aprender, que ejecuta, con ayuda de redes neuronales en diálogo con el portador del implante, o en intercambio bidireccional de señales y datos entre el implante y el tejido nervioso contactado, una optimización de las funciones perturbadas del sistema nervioso, aumenta funcionalmente el número de los lugares de estimulación selectivamente accesibles y vigila la actividad neuronal de neuronas aisladas a estimular. Es además cometido de la invención el crear un implante espinal y un implante craneal.

Este cometido es solucionado por un codificador con las características de la reivindicación 1. Además, este cometido es solucionado con un implante con las características de la reivindicación 10 y con un implante con las características de la reivindicación 11.

Como el codificador se halla en acoplamiento bidireccional con microcontactos implantados, puede realizarse la supervisión de la actividad neuronal de impulsos de neuronas aisladas a estimular, así como de otras señales, y la ejecución de actividades parcialmente autónomas. Las funciones pueden ser optimadas por acción propia a través de redes neuronales, o en diálogo con el portador del implante. El número de lugares de estimulación selectivamente alcanzables puede ser elevado funcionalmente, y ser vigilada la actividad neuronal de neuronas aisladas. La estructura implantada puede actuar sensomotoramente de manera parcialmente autónoma, utilizando componentes sensoriales y actoriales adecuados, así como un sistema de control capaz de aprender. Además son aplicados en diferentes combinaciones partes y procedimientos importantes del sistema de procesamiento de información capaz de aprender, sobre todo para implantes espinales en contacto bidireccional con la médula espinal o el sistema nervioso periférico, y para implantes craneales en contacto bidireccional con estructuras del sistema nervioso central en el interior de la cavidad craneana.

Además se propone por primera vez un codificador que permite elevar funcionalmente el número de lugares de estimulación selectivamente alcanzables, y también puede adaptarse después a nuevas condiciones de estimulación. El codificador aquí revelado puede (a causa de su estructura y función como grupo de filtros espaciotemporales capaces de aprender) realizar también, aparte de la función estimulante, una supervisión y un análisis de la actividad neuronal de neuronas a estimular.

Los filtros espaciotemporales asociados a los diferentes microcontactos son sintonizados individualmente para una función óptima, en la medida de lo posible, en diálogo entre codificador y portador del implante.

A diferencia de un codificador de elaboración previa rígida, es decir sin posibilidad de ajuste individual, aquí son ajustados los diferentes filtros espaciotemporales como canales de codificador separados, en base al único criterio relevante, es decir la mejora funcional del área del sistema nervioso dada que se consigue. Esta ventaja incluye el que posteriores cambios de función, p.e. a causa de un desplazamiento de microcontactos, puedan ser compensados por correspondientes adaptaciones de la función de filtro espaciotemporal. Una ventaja de la sintonización de las funciones de filtro espaciotemporal en diálogo con el portador del implante o con una zona de su sistema nervioso consiste en tener en cuenta aspectos de función que solo el correspondiente portador del implante puede introducir en el proceso de optimación, y solo de una manera implícita, p.e. por la valoración subjetiva de su percepción o por valoración y supervisión funcional de su sistema nervioso, y la utilización de éstas para el ajuste del codificador.

Las secuencias asincrónicas de impulsos de las diferentes salidas de filtros espaciotemporales de los canales de codificador, por el momento funcionalmente separados, son ventajosamente sintonizadas, como señales de estimulación, con lugares de estimulación selectivos en diálogo con el portador del implante, teniendo en cuenta los impulsos neuronales registrados en el lugar de estimulación.

Como se prevé que transcursos de tiempo y distribuciones locales, adecuadamente elegidos o determinados por un proceso de aprendizaje, de distribuciones de campos creadas en varios microcontactos por superposición de diferentes señales de estimulación mutuamente sintonizadas, provoquen, a manera de focos de estimulación, excitaciones de impulsos neuronales local y temporalmente selectivos, el número de lugares de estimulación alcanzable selectivamente, así como su precisión de separación o atenuación de diafonía es aumentado funcionalmente en un número fijo de microcontactos implantados.

Dado un número relativamente bajo de microcontactos implantados y con capacidad de funcionamiento duradero, cuya posición relativa a las neuronas no puede ser modificada, supone una gran ventaja el aumentar funcionalmente, es decir mediante la producción de señales adecuadas, el número de lugares de estimulación o neuronas selectivamente alcanzables, y con ello al mismo tiempo el número de canales de codificador disponibles por separado, manteniendo una reserva suficiente de filtros espaciotemporales. Esta ventaja produce una mejora de la cualidad de la función dada en cada caso.

Se hace posible el control o alivio de funciones deficientes de la médula espinal o del sistema nervioso periférico con ayuda de una neuroprótesis parcialmente implantada en acoplamiento sensorial y motriz lo más estrecho posible con el portador del implante, y bajo utilización de funciones sensomotoras parcialmente autónomas de la estructura implantada.

Con implantes espinales capaces de aprender puede mejorarse sustancialmente la cualidad del alivio de trastornos funcionales neuronales en la médula espinal o en el sistema nervioso periférico, y posibilitarse por primera vez con respecto a diversas aplica-
ciones.

Se hace posible el alivio de trastornos funcionales neuronales del sistema nervioso central en el interior del cráneo, especialmente para la reducción de efectos sensoriales, motores o cognitivos indeseados en varios grupos de pacientes de neurología o psiquiatría, con ayuda de una estructura implantada con aplicador de sustancia activa y funciones sensomotoras parcialmente autónomas, en acoplamiento con funciones de control y percepción del portador del implante.

Con implantes craneales capaces de aprender se posibilita para diversas aplicaciones la cualidad de alivio de trastornos funcionales neuronales en el sistema nervioso central en el interior del cráneo.

Estas elaboraciones ventajosas resultan [R1] de las características de las reivindicaciones dependientes. En lo que sigue, se muestran ejemplos de ejecución de la presente invención con referencia a los dibujos. Estos muestran:

Figura 1: Un ejemplo de construcción de un implante espinal en el área del tejido nervioso con un unidad de control y un módulo de comando activado por movimientos de cabeza.

Figura 2: Una representación esquemática de una microestructura de contacto para la estimulación de tejido nervioso no contactado directamente.

Figura 3: Una representación esquemática de un implante craneal con los diferentes módulos en un esquema de bloques.

En la figura 1 se ilustra un implante espinal como prótesis prensil. Esta prótesis se emplea cuando en una paraplejía pueden aún efectuarse movimientos de brazo, pero fallan movimientos prensiles de la mano.

La prótesis prensil abarca un implante 1 que comunica con un módulo transcutáneo 2. El módulo 2 a su vez se halla en contacto bidireccional inalámbrico con una unidad central de control 3 capaz de aprender. Esta unidad de control recibe órdenes de un módulo de comando 4, que a su vez es dirigido por un sensor de movimientos de cabeza 5.

El implante 1 está en contacto con tejido nervioso 8 a través de microcontactos 6, 7. Además hay conectados al implante 1 varios sensores 9, que registran valores de medida para el acto prensil en el área de la última falange del pulgar y de otra falange última de un dedo.

Para la producción y el mando de un acto prensil el sistema por lo pronto descrito trabaja del siguiente modo. Para empezar el usuario moverá la mano hacia un objeto que quiera asir. Este puede ser por ejemplo un vaso. Cuando la mano está en la posición apropiada para asir el vaso, el acto prensil es desencadenado a través de un determinado movimiento de cabeza, que es registrado en el sensor de movimiento de cabeza 5. El sensor de movimientos de cabeza 5 transmite sus señales al módulo de comando 4. Este genera órdenes de mando adecuadas, que a su vez son transmitidas inalámbricamente o a través de una línea de señales a la unidad de control 3. En un área primera 10 de la unidad de control se prevé el intérprete de comandos, que también efectúa una supervisión del movimiento. Una segunda área 11 de la unidad de control 3 incluye la regulación de posición y fuerza. El comando "asir" proveniente del módulo de comandos 4 es interpretado en la unidad 10 y para ello es determinado un patrón adecuado de estimulación de movimientos. La unidad 11 de la unidad central de control 3 envía entonces órdenes de posición al módulo transcutáneo 2, que a su vez transmite al implante 1, y ahí especialmente a una unidad estimuladora 12, la orden de estimular las vías nerviosas 8 adecuadas a través de los microcontactos 6, 7. Las vías nerviosas 8 dirigen ahora a través de la excitación eléctrica los músculos de la mano necesarios para el acto prensil, los cuales se contraen al efecto y desencadenan el acto prensil.

Los sensores 9 detectan ahora la prensa cerrada de la mano alrededor del objeto, transmitiendo información sobre la posición, la presión ejercida y el deslizamiento del objeto. El fin del acto prensil es el ejercer una presión lo más débil posible para no romper el objeto (huevo crudo), y por otro lado garantizar una prensa sin deslizamientos, que evite dejar caer el objeto.

Las señales de los sensores 9 son transmitidas a una unidad de sensor 13 del implante 1. Las señales recibidas las envía la unidad de sensor 13 al módulo transcutáneo 2, el cual a su vez suministra, una vez procesadas las señales, los valores registrados a la unidad de regulación 11 de la unidad de control 3, donde se opera la regulación de posición y de fuerza para el acto prensil. En concreto, la excitación de las vías nerviosas 8 a través de los microcontactos 6, es dirigida de tal manera que se produzca un resultado prensil óptimo. El usuario puede por ejemplo, después de asir el vaso, darle al sensor de movimientos de cabeza 5, mediante otro movimiento apropiado de cabeza, la información de que el acto prensil sea ahora mantenido automáticamente. La unidad de control 3 produce entonces esa regulación automática del acto prensil. Como unidad de control 3 capaz de aprender, la estimulación es regenerada regularmente en el área de las vías nerviosas 8 a través de los microcontactos 6, 7, mediante el registro de la actividad de las vías nerviosas 8, en la unidad sensora 13 del implante 1, a través de los sensores 9. La unidad de control 3 tiene integrada esta capacidad para aprender a través de una red neuronal que regula el lugar, la fuerza y el transcurso temporal de la estimulación de las vías nerviosas 8 de tal manera que son excitadas en la intensidad adecuada exactamente aquellas vías nerviosas 8, que son necesarias para el acto prensil. Así, después de cada fase de aprendizaje puede garantizarse un acto prensil óptimo.

La figura 2 muestra una representación que ilustra los microcontactos 6 que se introducen en el tejido nervioso 8. En el ejemplo presente hay implantados en el tejido nervioso 8 tres microcontactos 16, 17, 18, y situados más o menos aleatoriamente en las inmediaciones de determinadas neuronas. La estructura de microcontactos 6, 16, 17, 18 es en cualquier caso bastante más tosca que la matriz de neuronas 8. Los microcontactos 16, 17, 18 son alimentados a través del estimulador 12 con señales S1, S2 y S3.

Para crear una excitación neuronal selectiva tiene que poder accederse por ejemplo a un foco de estimulación F, que no puede ser afectado directamente por un microcontacto. Pero se puede acceder al foco de estimulación F enviando las señales S1, S2 y S3 a los electrodos 16, 17 y 18 con intensidades, transcursos de tiempo, y sobre todo intervalos temporales diferentes entre sí. La superposición de las señales creadas puede luego ser dispuesta de tal manera que la coincidencia de las señales en el área del foco de estimulación F que se persigue sobrepase el umbral de excitación de neuronas aisladas o de unas pocas neuronas, mientras la suma de los cursos de señal en el área restante del tejido nervioso se mantiene por debajo del umbral de excitación.

El foco de estimulación puede también ser desplazado de F a F’ mediante modificación de la secuencia temporal y del transcurso temporal de señal de las diferentes señales mutuamente sintonizadas. Para el ajuste de estas funciones de excitación, que acceden a un foco de estimulación que no se halla en contacto inmediato con electrodos, es preciso un proceso de aprendizaje. Como no se sabe con exactitud qué foco de estimulación F, F’ tiene que ser abordado para una determinada excitación neuronal, la unidad de control sensomotora capaz de aprender solo puede ofrecer un patrón determinado de señales, que el portador del implante luego juzga a través de una percepción sensorial o de otro análisis de datos sensoriales. Un segundo patrón de señales que ha sido modificado con respecto al primero es entonces a su vez juzgado en el sentido de si se consigue la excitación neural perseguida. El usuario solo tiene que decir si el patrón de señales posterior es más o menos adecuado que el anterior. Con el mecanismo de regulación de una red neuronal se determina en el curso de un proceso de ajuste una función de señal-tiempo de los electrodos 16, 17, 18 óptima para la excitación del foco de estimulación F.

En la figura 3 por último, se ve representado un implante craneal para la vigilancia y influenciación de un región de tejido nervioso en el córtex. Un tejido nervioso 20 a ser vigilado es dotado en el área de una región 21 con microcontactos. La región 21 puede ser por ejemplo aquella región cuya disfunción provoca ataques epilépticos. Una estructura de microcontactos 22 incluye tanto los microcontactos para la estimulación de las neuronas, como microsensores para la vigilancia de la actividad neuronal y otros parámetros biofísicos. La estructura de microcontactos 22 está a su vez en contacto, a través de una vía de señales 23, con un procesador 24 capaz de aprender, el cual a su vez dispone de un sistema emisor-receptor que opera bidireccionalmente. Por otro lado la estructura de microcontactos 22 está en contacto a través de una vía de señales 25 con un depósito de sustancia activa 26. El depósito de sustancia activa 26 está preparado para la liberación local controlable de pequeñas cantidades de sustancia activa, por ejemplo en el orden de nanolitros. Por último el procesador 24 está en contacto directo, a través de otra vía de señales 27, con el depósito de sustancia activa 26.

Los tres módulos 22, 24 y 26 del implante craneal operan en común para evitar ataques epilépticos, de la siguiente manera: Los microsensores vigilan la actividad espontánea de neuronas en la región 21 y transmiten sus señales de medida a través de la vía de señales 23 al procesador 24, el cual a su vez analiza por un lado estas señales por su cuenta, y por otro lado transmite un informe del estado a un codificador externo. Al aparecer actividades neuronales características sospechosas, que pueden expresarse por ejemplo en una actividad neuronal sincrónica en la región 21, el procesador 24 detecta un patrón de excitación que puede llevar a un ataque epiléptico. Puede entonces transmitir a través de la vía de señales 23 secuencias de pulsos de estimulación a los microcontactos 22, que actúan en contra de tal excitación neuronal sincrónica. Si esta influencia meramente eléctrica no es suficiente, el procesador 24 puede transmitir a través de la vía de señales 27 una instrucción al depósito de sustancia activa 26, según la cual éste libera una cantidad exactamente medida de una sustancia activa farmacológica, la cual a su vez es adecuada para disminuir la actividad neuronal sincrónica a un nivel normal.

El tipo de procesos de mando, su secuencia temporal y la intensidad de cada acción que influye sobre la región de tejido nervioso 21 a través de la estructura de microcontactos 22 y del depósito de sustancia activa 26, es ajustada y optimizada a través de un codificador externo, de modo que el paciente en caso ideal no nota nada de la intervención artificial preventiva. En caso de cambios fisiológicos del paciente puede ser nuevamente adaptado el modo de actuar del implante craneal. El codificador tiene aquí las mismas funciones esenciales que han sido descritas en relación con los ejemplos de construcción de las figuras 1 y 2.

Una ampliación ventajosa de la estructura y función del codificador consiste en estar combinado un procesador digital de señales (DSP), por ejemplo el modelo C80 de la empresa Texas Instruments, con un módulo de preelaboración, con un emisor y receptor de señales de pulsación para la comunicación bidireccional con la estructura implantada, con varias interfaces de señales sobre todo para la comunicación con la unidad de introducción de datos de valoración, y con el sistema externo de mando y vigilancia. Las diversas funciones de procesamiento de información capaces de aprender se hallan realizadas con una unidad central de control en el DSP, especialmente para filtros espaciotemporales, módulo de diálogo y reconocimiento de patrones, y el usuario recibe por un lado del codificador señales como impulsos de estimulación o como percepciones sensoriales, y envía por otro lado al codificador los datos de valoración de parámetros biofísicos y actividad neuronal. Además un ejemplo de construcción del codificador se funda en que, por la transmisión bidireccional inalámbrica de señales y energía, puede ser fijado en el propio cuerpo o en un lugar externo al cuerpo. Luego, otra ampliación ventajosa del codificador se funda en que el espacio de función espaciotemporal de los filtros espaciotemporales incluye, para su aplicación como codificador, las características de procesamiento de datos de diversas clases de neuronas contactadas.

Con el codificador se crea una conexión directa con una parte del sistema nervioso, la cual por su parte ya es espontáneamente activa. Se generan pues impulsos neuronales de neuronas particulares sin estimulación técnica. Para la adaptación óptima de las secuencias de estimulación a la correspondiente actividad espontánea, para la determinación exacta de los parámetros de estimulación para una conversión del 1:1, segura y al mismo tiempo aún biológicamente compatible, de impulsos de estimulación en impulsos neuronales, así como para la mejor optimización de la sintonización temporal y sincronización de la actividad neuronal de varias neuronas, es de mucho provecho la vigilancia de la actividad neuronal de neuronas particulares a estimular.

Para el ajuste de los filtros espaciotemporales del codificador en diálogo con el usuario, los filtros espaciotemporales están realizados como filtros espaciotemporales cuyos parámetros de función espaciales y temporales son modificados, para la aproximación de las correspondientes características de procesamiento de información de las neuronas, en un espacio funcional lo suficientemente grande, mediante puntos de intercambio de parámetros accesibles desde fuera, ubicados en lugares adecuados en los algoritmos de filtración. El proceso de aprendizaje para los filtros espaciotemporales puede realizarse porque un ser humano como persona sana o como portador del implante, en un diálogo con el codificador basado en la percepción transmite la comparación perceptiva entre patrón teórico y patrón real, por ejemplo mediante una unidad de dato de valoración, formada como línea de diversos reguladores corredizos o codificada en determinados movimientos de cabeza, a una red neuronal técnica con regla de aprendizaje no vigilada, y porque la red neuronal fija el siguiente valor de parámetro para el filtro espaciotemporal, así como el siguiente patrón teórico, con el fin de una disminución de la diferencia de patrón percibida en el siguiente paso del diálogo. Una ampliación ventajosa de la búsqueda de vectores de parámetro óptimos para los filtros espaciotemporales consiste en que en el módulo de diálogo o bien son generados por una red neuronal con aprendizaje no vigilado respectivos vectores de parámetros que, para un patrón presentado dado, conducen a una percepción determinada y son respectivamente valorados subjetivamente, o bien que en el módulo de diálogo otro sistema de ajuste de parámetros utiliza secuencias de vectores de parámetros para el movimiento virtual en el espacio de función del filtro espaciotemporal como trayectorias del tipo de escaneo o de recorridos de barrido, o como secuencias irregulares, o como secuencias de funciones de filtro especialmente típicas neurofisiológicamente, y el usuario durante esta secuencia que transcurre en un intervalo adecuado de tiempo, transmite ocasionalmente percepciones "con sentido" generadas por la interacción del patrón dado, del módulo de preelaboración conectado a continuación, del filtro espaciotemporal conectado a continuación, y de la parte del sistema nervioso acoplada mediante el correspondiente microcontacto, y que a continuación puede realizarse, en el área del espacio de función de filtro así encontrada, una optimización de parámetros más exacta basándose en la percepción.

Un ejemplo de construcción para la generación de secuencias asincrónicas de impulsos consiste en que las señales de salida de los diferentes filtros espaciotemporales son transformadas, mediante algoritmos de transposición, de las funciones temporales cuasicontínuas de los filtros espaciotemporales en secuencias asincrónicas de impulsos, en correspondencia con la actividad de las neuronas, y en que los transcursos de tiempo de las secuencias de impulsos, así como los momentos de aparición de los diferentes impulsos pueden ser ajustados en la fase de diálogo mediante elementos variables de retardo.

El acoplamiento temporal de las secuencias asincrónicas de impulsos, generadas por varios filtros espaciotemporales del codificador para el desencadenamiento de impulsos de neuronas, puede realizarse porque los momentos de emisión de las diferentes señales de impulsos son variados de tal manera mediante elementos de retardo dirigibles, que resulta un acoplamiento temporal hasta el punto de la aparición sincrónica exacta, porque la variación del retardo es dirigida por el portador del implante, o se realiza en diálogo basado en la percepción a través de una red neuronal, o es dirigida externamente, porque la elección de los grupos de impulsos a acoplar puede tener en cuenta tanto impulsos provenientes del filtro espaciotemporal como registrados en la interfaz, y porque en vista de las muy diferentes cuotas momentáneas de impulsos de los diferentes filtros espaciotemporales se determinan criterios adecuados para la participación de impulsos aislados en grupos de impulsos a acoplar.

El aumento funcional del número y de la selectividad de los lugares de estimulación selectivamente accesibles, dado un número de microcontactos implantados estacionariamente, puede realizarse porque las señales de impulsos son conducidas de un filtro espaciotemporal dado a varios microcontactos vecinos, porque las funciones temporales de estimulación, exactamente determinadas para cada microcontacto a causa de las instrucciones del codificador y decodificadas respecto a amplitud de corriente, polaridad y situación de fase, crean transcursos de tiempo característicos del campo electromagnético en el área de las neuronas a estimular, porque estas formas del campo electromagnético, originadas en varios microcontactos por superposición de señales de estimulación mutuamente sintonizadas, desencadenan espacial y temporalmente estimulaciones de impulsos neuronales selectivas, porque los lugares selectivos de estimulación pueden ser cambiados rápidamente mediante variación adecuada de las señales de estimulación superpuestas, y porque la correspondiente variación de diversos parámetros de las señales de estimulación mutuamente sintonizadas se realiza en diálogo basado en la percepción con el portador del implante y a través de una red neuronal, o de otros procedimientos de variación de señales para la determinación de un número lo más elevado posible de lugares de estimulación que conduzcan a una excitación neuronal selectiva y precisa. Además puede mejorarse la optimización de las funciones temporales de estimulación respecto a la selectividad individual que se persigue y a la compatibilidad biológica duradera, mediante comparación de impulsos neuronales registrados con las señales de estimulación.

Un ejemplo de construcción del sistema de control para una estructura implantada del codificador que actúe sensomotoramente de forma parcialmente autónoma consiste en que los microcontactos implantados son utilizados tanto para la estimulación como para el registro e impulsos neuronales, en que los impulsos registrados y demás señales físicas y químicas son trasmitidas mediante preamplificadores adecuados y emisores ópticos o electromagnéticos al codificador, y en que ahí son procesadas las señales neuronales registradas para diversos objetivos de la función del codificador.

Un ejemplo de construcción de acciones sensomotoras parcialmente autónomas de la estructura implantada consiste en que, utilizando diversos sensores de valores físicos y químicos disponibles en la estructura implantada, diversos actores, como por ejemplo electrodos eléctricos de estimulación, microactores mecánicos, aplicadores químicos de sustancias activas, o sondas que actúan térmicamente para fines terapéuticos o microquirúrgicos, de estructuras para llevar a cabo análisis químicos y procesos en el interior de la estructura implantada, y de un sistema de control parcialmente neuronal capaz de aprender en comunicación con el codificador, pueden ser realizadas diversas acciones sensomotoras parcialmente autónomas, es decir acciones sobre el tejido local que por ejemplo reaccionen rápidamente a datos sensoriales detectados en ese instante. Aquí el acoplamiento bidireccional con el codificador puede ser usado como mando o como regulación.

Un ejemplo de construcción del implante espinal capaz de aprender por ejemplo para parapléjicos, para la modulación neuronal del uréter, para el control de movimientos prensiles o de locomoción, o para la reducción de dolores fantasma tras una amputación, consiste en que la estructura de microcontactos implantada se encuentra en la médula espinal, en el sistema nervioso periférico, o en grupos de músculos, en que el codificador externo capaz de aprender es llevado como unidad portable en el cuerpo del usuario, en comunicación bidireccional con la estructura implantada, se halla en comunicación bidireccional con el usuario para la recepción y para la emisión de señales y funciona de manera en gran parte autónoma, o puede ser dirigido por el usuario mediante manipulación o por ejemplo mediante movimientos de cabeza y ojos. Un ejemplo de construcción de la estructura implantada consiste en que son realizadas acciones sensomotoras parcialmente autónomas, como p.e. una aplicación de hormonas de crecimiento regulada conforme a demanda, o acciones térmicas.

Un ejemplo de construcción de implante craneal capaz de aprender, p.e. como aplicador local de sustancia activa disparado conforme a demanda para pacientes epilépticos, pacientes de parkinson, o pacientes psiquiátricos, consiste en que la estructura implantada, inclusive detectores locales de concentraciones físicas, neurofisiológicas, así como de iones, de moléculas y de sustancias activas, y depósitos para sustancias activas fácilmente recargables desde fuera, suministradores de sustancia activa con mando y módulo de procesamiento de información capaz de aprender, se encuentra en el interior del cráneo y comunica bidireccionalmente con un codificador externo, en que un equipo médica y tecnológicamente especialmente cualificado, después del asentimiento transmitido por el paciente, como p.e. antes de decidir sobre intervenciones microquirúrgicas mediante sondas implantadas de actuación térmica, no solo vigila, sino que además dirige las diferentes funciones, y en que las diferentes funciones pueden ser optimizadas y vigiladas por el paciente, en diálogo basado en la percepción. Un ejemplo de construcción de la estructura implantada consiste en que son llevadas a cabo acciones sensomotoras parcialmente autónomas, como p.e. una aplicación regulada conforme a demanda de hormonas de crecimiento, o de sustancias neurotransmisoras para la función de las sinapsis, es decir de los contactos biológicos entre neuronas que están primordialmente involucrados en el proceso de aprendizaje y de memorización, así como p.e. la represión regulada conforme a demanda de ataques epilépticos o de acciones térmicas.

Claims (16)

1. Codificador sensomotor capaz de aprender, para una neuroprótesis en el sistema nervioso central en el interior del cráneo, de la médula espinal o en el sistema nervioso periférico, con una unidad de control (3) para funciones de procesamiento de señales, funciones de vigilancia, funciones de mando y/o funciones de intervención externa, así como con un grupo de filtros espaciotemporales adaptables para funciones sensoriales y/o motrices, caracterizado porque se prevé una interfaz bidireccional (2) para el acoplamiento del codificador con una microestructura implantada (6, 7) para la estimulación por un lado de tejido nervioso o de neuroglia, así como para la vigilancia de funciones cerebrales por el otro.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de control (3) es capaz de aprender y está prevista para el mando de una estructura implantada (1, 6, 7; 22, 24, 26) que actúa sensomotoramente de forma al menos parcialmente autónoma.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque mediante las funciones de mando se puede aplicar en el lugar de la estructura implantada (22, 24, 26) una sustancia activa o una forma de energía.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las funciones de vigilancia registran la actividad de neuronas o de células de neuroglia, así como concentraciones de iones, de moléculas o de sustancia activa.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para aumentar funcionalmente el número y la precisión de separación de los lugares de estimulación selectivamente accesibles en un número dado de microcontactos (6) implantados estacionarios, las señales de impulso (S1, S2, S3) pueden ser dirigidas a microcontactos (16, 17, 18) aislados o a varios microcontactos vecinos, porque las funciones temporales de estimulación individualmente determinadas para cada microcontacto (16, 17, 18) en base a las órdenes del codificador, y decodificadas especialmente respecto al transcurso temporal, a la polaridad y a la longitud de fase, a su vez causan transcursos temporales y distribuciones locales característicos del campo electromagnético en el área de las neuronas a estimular.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los transcursos temporales y las distribuciones locales, elegidos o determinados mediante proceso de aprendizaje, de las distribuciones de campo creadas por superposición de diferentes señales de estimulación mutuamente sintonizadas en varios microcontactos (16, 17, 18), desencadenan como focos de estimulación (F, F’) excitaciones de impulsos neuronales selectivas local y temporalmente.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los lugares selectivos de estimulación (F, F’) pueden ser cambiados rápidamente mediante variación adecuada de las señales de estimulación (S1, S2, S3) superpuestas, para el desplazamiento local del foco de estimulación (F, F’).

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto un sistema de vigilancia para una estructura implantada que actúa parcialmente sensomotoramente, para la vigilancia y valoración de diversas señales registradas, y para el control de acciones que se realizan en el lugar del implante mediante la estructura implantada (1, 6, 7; 22, 24, 26) que comunica bidireccionalmente con el codificador, estando la estructura implantada (1, 6, 7; 22, 24, 26) dotada de diversos sensores (9, 22), procesos de reacción y análisis químico, así como de actores (26) para acciones locales de tipo mecánico, eléctrico, u otro tipo físico, y de tipo químico, en el lugar del implante, y de un mando sensomotor (1, 24) capaz de aprender en comunicación con el codificador.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los microcontactos (6, 7, 22) implantados pueden ser utilizados a través de una comunicación bidireccional tanto para la estimulación como para el registro de impulsos neuronales, y/o porque están a disposición en la estructura implantada (1,6,7;22,24,26) microcontactos adicionales para el registro de actividad neuronal y de parámetros físicos, como p.e. presión y temperatura, y de concentraciones de iones y de moléculas.

10. Implante espinal capaz de aprender, para el alivio de disfunciones neuronales en la médula espinal o el sistema nervioso periférico, especialmente en relación con la motricidad de las extremidades, el uréter y sensaciones dolorosas indeseables o percepciones fantasma, con un codificador capaz de aprender, una estructura implantada (1, 6) que actúa sensomotoramente de forma parcialmente autónoma, y con un sistema bidireccional de transmisión de señales y de energía (2, 12, 13), estando el codificador en contacto bidireccional con partes de la médula espinal, del sistema nervioso periférico o de grupos de músculos.

11. Implante craneal para el alivio de disfunciones neuronales del sistema nervioso central con efectos sensoriales, motrices o cognitivos indeseables, inclusive trastornos de la memoria y cambios de personalidad, con un codificador capaz de aprender, con una unidad central de control para funciones de procesamiento de señales, funciones de vigilancia, funciones de mando y/o para funciones de intervención externas de una estructura implantada (22, 24, 26) parcialmente autónoma que actúa sensomotoramente con microcontactos (16, 17, 18, 22), detectores, depósito de sustancia activa y aplicador de sustancia activa (26), estando el codificador en contacto bidireccional con regiones del cerebro (21) en el interior del cráneo, a través de un sistema de transmisión de señales y de energía (24).

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un sistema de vigilancia realiza, mediante un sistema de mando capaz de aprender ahí existente, de forma parcialmente autónoma una valoración de las señales registradas en el lugar del implante y la transforma en órdenes de acción local de tipo físico o químico.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque son utilizadas funciones correspondientes del codificador capaz de aprender (3) para la adaptación funcional, basada en la percepción, automática o dirigida externamente, tanto de filtros espaciotemporales sensoriales para la optimización sensorial, como de filtros espaciotemporales motrices o de otros módulos de mando para la optimización del desarrollo del movimiento, para la aplicación de sustancia activa dirigida conforme a demanda, o para acciones microquirúrgicas o terapéuticas.

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en implantes espinales hay sistemas de medición (5) para movimientos de ojos o de cabeza, u otras articulaciones para fines de mando de funciones del implante y para fines de aviso de las intenciones o percepciones del portador del implante, y porque son utilizados procedimientos correspondientes para la elección de diversos transcursos de funcionamiento mediante una unidad de entrada de órdenes, y para la transmisión continua, con ayuda de un dador de señales adecuado que es llevado consigo, de parámetros de estado elegidos respecto al portador del implante y al implante, a un órgano sensorial adecuado, p.e. el sentido del tacto, o a un asistente, y cuya aplicación puede ser adaptada a cada paciente.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se prevé un sistema de mando capaz de aprender, para la valoración de las señales registradas en el lugar del implante, inclusive análisis químicos y la generación de reacciones químicas en el interior de la estructura implantada, y porque la valoración es transformada en órdenes de acción local física o química, como p.e. estimulación eléctrica local, aplicación de sustancia activa o acción térmica para fines quirúrgicos o terapéuticos.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para la liberación localmente restringida y temporalmente sincronizada de cantidades medidas de sustancia activa son pilotados depósitos locales implantados de sustancia activa (26), en dependencia de un área de estado patofisiológico, registrado a través de detectores (22) implantados adecuados, por ejemplo para la actividad neuronal o de células de neuroglia, para parámetros físicos, así como para concentraciones de iones, moléculas o sustancias activas, y valorado en una fase de aprendizaje con respecto a la necesidad de acción, y porque funciones parciales de esta emisión de sustancia activa local basada en el estado pueden ser dirigidas autonómicamente en la estructura implantada o en comunicación bidireccional con el codificador exterior al cráneo, directamente por el portador del implante y/o por un asistente.