Brain Boost 
Impulso cerebral 

Brain Boost 

New implant study focuses on enabling movement 

By Sherry Mazzocchi

A new device, a combination stent and electrode, is at the center of a new $2.9 million study at Mount Sinai Health System focused on enabling severely paralyzed individuals perform basic tasks independently – and making their blood vessels much busier.

“This will be an historic clinical trial that has the potential to change what is possible for people living with severe paralysis,” said Dr. David Putrino, Director of Rehabilitation Innovation for Mount Sinai, who, together with his team, is undertaking the study.

Developed by Synchron, Inc., the Stentrode device is a small Brain-Computer Interface [BCI] that is implanted through blood vessels in the brain. Specifically, it is implanted through the jugular vein into an area near the primary motor cortex, a part of the brain that produces movement commands.

While people with paralysis cannot move affected limbs, they can still produce brain signals in the motor cortex and generate command functions.

The Stentrode picks up the brain signals, and transmits them to a small unit placed in the chest. That device is connected to an external receiver that converts the brain signals into commands.  Those commands are sent wirelessly to a computer, allowing individuals to control it using their thoughts. Patients can be trained to use a computer with their thoughts, allowing them to communicate with others, and even perform online tasks, such as shopping, banking or text messaging.

Two patients in an earlier Australian study demonstrated the ability to control texting and typing with thought using the Stentrode device.

Putrino is a physical therapist and clinician with a Ph.D. in Neuroscience from The University of Western Australia. He later moved to the United States to study computational neuroscience at Harvard Medical School, MIT, and NYU.

He met the founder of Synchron, Dr. Thomas Oxley, back in 2013. “I was really excited about his technology because he was taking an entirely different and new approach to [Brain-Computer Interface] technology,” he said, noting that the new approach was “a very disruptive idea.”

Putrino explained that brain implants are typically implemented with very invasive surgery. “You need to open the skull, and implant electrodes directly into the brain. All of these things cause damage,” he said. “There’s typically a shelf life on how long these electrodes can stay in the brain because they lose their efficacy and they need to be taken out.”

Instead, Oxley came up with the idea of putting a stent in a blood vessel close enough to a brain region to make meaningful recordings that could, in turn, control an external device.

The idea seemed “crazy” back in 2013 and at the time, Putrino didn’t think it would work.

“Recording from the brain is really difficult,” he said. Neurophysiologists devised specialized electrodes optimized for brain recordings. But they have to be directly implanted into the brain, behind the skull.

“Tom’s idea that you could bypass all of that and go straight into the blood vessel was just turning the whole field of neurophysiology on its head,” Putrino said. “This is just such a wonderful example of the whole field going in one direction and one really clever innovator going in the complete other direction—and having a huge success.”

The Stentrode device is inserted into a blood vessel nestled in the cerebral cortex, close to the primary motor cortex. That area of the brain produces a movement signal. “If you want to move your foot, that area of the brain sends a message down to your foot and says, ‘Move,’” he said.

The “move” message is sent through neurons, but blood vessels are also involved. The Stentrode, sitting in the blood vessel right next to the primary motor cortex, eventually heals into the blood vessel wall. “Once it’s there, the electrodes are actually good enough to pick up on the electrical activity that the neurons in the motor cortex are producing,” said Putrino.

He compared it to putting an antenna into a blood vessel, sensitive enough to hear neurons that can transmit it to a pacemaker-like device into the chest.

The idea may be simple, but the engineering involved was daunting. Blood vessels are noisy places, said Putrino. “An electrode is a lot like a microphone, so if you are trying to record something that is really, really faint, like electrical activity from a neuron, you also get noise carried over from the heartbeat.”

It took Oxley and his team at Synchron about a decade to solve the engineering problem. Oxley is also now a neurointerventionist at Mount Sinai. When Putrino saw his latest research, he got very excited.

“I had actually stopped doing brain computer interface research because I got very frustrated by how much the field was geared toward solving an engineering problem versus solving a patient problem,” he said.  “My job is to accelerate technologies that I think can dramatically improve a patient’s life.”

But most previous Brain-Computer Interface tech never made it out of the lab. “No one was designing the technology with the patient involved. They were saying, ‘You know we’ll get to that in 20 or 30 years.’”

Putrino expects that with this new technology, patients will be able to independently perform digital functions within a few months of implantation. He said patients in earlier studies attained 96 percent accuracy rates.

“If you think about only making a mistake four percent of the time while typing, that is a very high level of success,” he said.

The $2.9 million grant is part of a larger $10 million study, which is led by Carnegie Mellon. The University of Pittsburgh Medical Center will also study the Stentrode device. The project is funded by the National Institutes of Health Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative.

For more information, please visit www.mountsinai.org.

Impulso cerebral 

Por Sherry Mazzocchi 

Un nuevo dispositivo, una combinación de stent y electrodo, está en el centro de un nuevo estudio de $2.9 millones de dólares en el Sistema de Salud Mount Sinai. La investigación está enfocada en permitir que las personas con parálisis severa realicen tareas básicas de forma independiente y mejoren la calidad de sus vidas, y que sus vasos sanguíneos estén mucho más ocupados.

“Este será un ensayo clínico histórico que tiene el potencial de cambiar lo que es posible para las personas que viven con parálisis severa”, dijo el Dr. David Putrino, director de Innovación en Rehabilitación de Mount Sinai, quien, junto con su equipo, está realizando el estudio.

Desarrollado por Synchron, Inc., el dispositivo Stentrode es una pequeña interfaz cerebro-computadora que se implanta a través de los vasos sanguíneos del cerebro. Específicamente, a través de la vena yugular en un área cercana a la corteza motora primaria, una parte del cerebro que produce comandos de movimiento.

Si bien las personas con parálisis no pueden mover las extremidades afectadas, pueden producir señales cerebrales en la corteza motora y generar funciones de comando.

El Stentrode capta las señales cerebrales y las transmite a una pequeña unidad colocada en el pecho. Ese dispositivo está conectado a un receptor externo que convierte las señales cerebrales en comandos. Esos comandos se envían de forma inalámbrica a una computadora, lo que permite a las personas controlarla usando sus pensamientos. Los pacientes pueden ser entrenados para usar una computadora con sus pensamientos, lo que les permite comunicarse con otros e incluso realizar tareas en línea, como compras, operaciones bancarias o mensajes de texto.

Dos pacientes en un estudio australiano anterior demostraron la capacidad de controlar los mensajes de texto y la escritura con el pensamiento utilizando el dispositivo Stentrode.

Putrino es fisioterapeuta y clínico con un doctorado en Neurociencia de la Universidad de Australia Occidental. Más tarde se mudó a los Estados Unidos para estudiar neurociencia computacional en la Escuela de Medicina de Harvard, MIT y NYU.

Conoció al fundador de Synchron, el Dr. Thomas Oxley, en 2013. “Estaba realmente emocionado con su tecnología porque estaba adoptando un enfoque completamente diferente y nuevo para la tecnología BCI”, dijo Putrino, quien calificó la nueva interfaz cerebro-computadora como “una idea muy revolucionaria”.

Putrino explicó que los implantes cerebrales generalmente se implementan con una cirugía muy invasiva. “Es necesario abrir el cráneo e implantar electrodos directamente en el cerebro. Todas estas cosas causan daños”, dijo. “Por lo general, existe una vida útil sobre el tiempo que estos electrodos pueden permanecer en el cerebro porque pierden su eficacia y es necesario extraerlos”.

En cambio, a Oxley se le ocurrió la idea de colocar un stent en un vaso sanguíneo lo suficientemente cerca de una región del cerebro para hacer grabaciones significativas que pudieran, a su vez, controlar un dispositivo externo.

La idea parecía “loca” en 2013 y en ese momento, Putrino no pensó que funcionaría.

“Grabar desde el cerebro es realmente difícil”, dijo. Los neurofisiólogos diseñaban electrodos especializados optimizados para grabaciones cerebrales, pero tenían que implantarse directamente en el cerebro, detrás del cráneo.

“La idea de Tom de que se podía pasar por alto todo eso e ir directamente al vaso sanguíneo cambiaba todo el campo de la neurofisiología”, dijo Putrino. “Este es un ejemplo maravilloso de que todo el campo va en una dirección y una innovación realmente inteligente va en la otra, y tiene un gran éxito”.

El dispositivo Stentrode se inserta en un vaso sanguíneo ubicado en la corteza cerebral, cerca de la corteza motora primaria. Esa área del cerebro produce una señal de movimiento. “Si quieres mover tu pie, esa área del cerebro envía un mensaje a tu pie y dice: muévete”, explicó.

El mensaje de “movimiento” se envía a través de las neuronas, pero los vasos sanguíneos también están involucrados. El Stentrode, que se encuentra en el vaso sanguíneo justo al lado de la corteza motora primaria, eventualmente sana en la pared del vaso sanguíneo. “Una vez que está ahí, los electrodos son lo suficientemente buenos para captar la actividad eléctrica que están produciendo las neuronas en la corteza motora”, comentó Putrino.

Lo comparó con colocar una antena en un vaso sanguíneo, lo suficientemente sensible como para escuchar neuronas que pueden transmitir a un dispositivo similar a un marcapasos en el pecho.

La idea puede ser simple, pero la ingeniería involucrada fue abrumadora. Los vasos sanguíneos son lugares ruidosos, dijo Putrino. “Un electrodo se parece mucho a un micrófono, por lo que, si está tratando de grabar algo que es muy, muy débil, como la actividad eléctrica de una neurona, también recibe ruido transmitido por los latidos del corazón”.

Oxley y su equipo en Synchron tardaron aproximadamente una década en resolver el problema de ingeniería. Oxley también es ahora neurointervencionista en Mount Sinai. Cuando Putrino vio su más reciente investigación, se emocionó mucho.

“De hecho, dejé de investigar la interfaz cerebro-computadora porque me frustraba enormemente lo mucho que el campo estaba orientado a resolver un problema de ingeniería en lugar de resolver el problema de un paciente”, dijo. “Mi trabajo es acelerar las tecnologías que creo que pueden mejorar drásticamente la vida de un paciente”.

Pero la mayoría de los técnicos de BCI (siglas en inglés de interfaz cerebro-computadora) nunca salieron del laboratorio. “Nadie estaba diseñando la tecnología con el paciente involucrado. Decían: sabes, llegaremos a eso en 20 o 30 años”.

Putrino espera que, con esta nueva tecnología, los pacientes puedan realizar funciones digitales de forma independiente a los pocos meses de la implantación. Dijo que los pacientes en estudios anteriores alcanzaron tasas de precisión del 96 por ciento.

“Si piensas en cometer un error sólo el cuatro por ciento del tiempo mientras escribes, es un nivel de éxito muy alto”, dijo.

La subvención de $2.9 millones de dólares es parte de un estudio más grande de $10 millones, dirigido por Carnegie Mellon. El Centro Médico de la Universidad de Pittsburgh también estudiará el dispositivo Stentrode. El proyecto está financiado por la iniciativa BRAIN (siglas en inglés de: Institutos Nacionales de Investigación de la Salud Cerebral a través de Neurotecnologías Innovadoras Avanzadas).

Para más información, por favor visite www.mountsinai.org.