Los amiloides son grupos de fragmentos de proteínas que se adhieren entre sí para formar fibrillas, como las placas que se ven en el cerebro de los pacientes con Alzheimer. Muchas de estas proteínas se unen a metales como el zinc, pero la estructura de estas proteínas unidas a un metal ha sido difícil de estudiar. La importancia de estos metales para la actividad de los fragmentos de proteínas amiloides sigue siendo una cuestión abierta, que es aún más desconcertante porque algunos amiloides están asociados con la enfermedad, pero otros no.

Un equipo de químicos del MIT, trabajando con investigadores de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) y la Universidad de Syracuse, ha descifrado la estructura de un amiloide que se une al zinc. Su enfoque, basado en la resonancia magnética nuclear (RMN), también podría usarse para revelar las estructuras de amiloides adicionales unidos a metal.

«A pesar de que ha habido mucho trabajo estructural a nivel atómico de alta resolución sobre los amiloides por RMN de estado sólido, los investigadores realmente no han estudiado los aspectos vinculantes del metal», dice Mei Hong, profesor de química del MIT y uno de los Altos autores del artículo, que aparece en las Proceedings of the National Academy of Sciences la semana del 29 de mayo.

Los investigadores de UCSF y Syracuse diseñaron la proteína amiloide para catalizar una reacción específica: combinando dióxido de carbono y agua para formar bicarbonato. La estructura recién descubierta del amiloide arroja luz sobre cómo la proteína realiza esta función y cómo ayuda el zinc en la catálisis de reacción.

Determinación de estructuras

Mientras que los amiloides se asocian a menudo con las enfermedades tales como enfermedad de Alzheimer y de Parkinson, otros amiloides tienen funciones biológicas normales.

Los investigadores de la UCSF y de Syracuse dieron a conocer por primera vez su amiloide artificial en 2014. Su objetivo era producir una proteína metálica muy simple que pudiera catalizar una reacción química necesaria para la vida, con la esperanza de demostrar que tales péptidos simples ligados a metales, podrían haber sido precursores de las enzimas modernas. En ese trabajo, demostraron que el péptido, que consiste en siete aminoácidos unidos a un ión cinc, podría catalizar la conversión de dióxido de carbono y agua en bicarbonato tan eficientemente como la enzima anhidrasa carbónica, que realiza esta reacción en las células vivas y también requiere zinc.

«Es plausible que los péptidos muy pequeños que llevan iones metálicos para hacer la química, y la evolución de las actividades enzimáticas pueda haber comenzado a partir de estos pequeños péptidos«, dice Hong.

Los investigadores de UCSF diseñaron su péptido de manera que su sitio activo, donde se produce la reacción química, imitaría el de la anhidrasa carbónica, que tiene un ion de cinc sujeto a tres cadenas del aminoácido histidina. Sin embargo, no conocían la estructura exacta de las fibrillas formadas por su péptido, que es donde Hong y sus colegas del MIT entraron.

Para determinar la estructura, el equipo de investigación utilizó un enfoque de doble basado en la espectroscopía de RMN y la bioinformática, que es un método de utilizar algoritmos informáticos para analizar datos biológicos.

Usando la RMN, los investigadores primero determinaron que los péptidos forman una larga cadena de fibrillas que consiste en capas de estructuras llamadas hojas beta. Dentro de cada hoja beta, cada hebra de péptido tiene dos histidinas que pueden interactuar con la hebra siguiente. Su siguiente objetivo era determinar cómo los iones de zinc encajan en esta estructura de múltiples capas.

La RMN utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos para revelar las estructuras de las moléculas que contienen esos núcleos. En este caso, los investigadores utilizaron la RMN para analizar las señales de los átomos de nitrógeno clave en las cadenas laterales de la histidina que interaccionan con los iones de zinc. Comparando estas señales cuando los amiloides estaban y no estaban ligados al zinc, los investigadores determinaron que la mitad de las histidinas coordinan un átomo de zinc cada uno, mientras que la otra mitad interacciona con dos átomos de zinc cada uno. «La alta concentración de histidinas que unen dos iones de zinc es muy inusual», dice Hong.

Los investigadores también utilizaron la RMN para medir los ángulos de los enlaces que permiten a la histidina interactuar con el zinc, y luego utilizaron la bioinformática para determinar las posibles estructuras compatibles con esas configuraciones. Esto reveló que un átomo de zinc se encuentra entre dos hebras de proteínas beta-amiloide, y está unido a una cadena lateral histidina desde arriba y a dos desde abajo. Esto forma una estructura tetraédrica en la que tres nitrógenos de histidina mantienen el zinc en su lugar mientras que un nitrógeno de histidina permanece sin fijar.

Catálisis temprana

El nitrógeno de histidina no unido es libre de unirse a una molécula de agua, que es necesaria para llevar a cabo la reacción catalizada por el ión cinc. Los colaboradores de Hong en UCSF demostraron previamente que este amiloide cataliza la formación de bicarbonato a una velocidad similar a la de la anhidrasa carbónica, apoyando la teoría de que este tipo de amiloide simple podría haber sido utilizado por las primeras formas de vida para llevar a cabo reacciones importantes.

Hong ahora planea comenzar a estudiar la estructura de los amiloides unidos a metal implicados en enfermedades neurodegenerativas. Se ha demostrado que los amiloides involucrados en las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer se unen a los iones metálicos, incluyendo el zinc y el cobre, pero no se conoce cómo estos metales influyen en las enfermedades ni se han determinado sus estructuras.

«Ha habido algunas simulaciones de dinámica molecular para adivinar cómo los metales se unen a estas histidinas, pero no ha habido una alta resolución en la investigación a nivel atómico de la estructura de coordinación», dice Hong.

Los ingenieros en el MIT han llegado con la ley de escala, similar a la usada para ensayar nuevos aviones, para describir cómo los vehículos se mueven a través de la arena. La ley de escala puede usarse para predecir cómo camiones grandes y otros vehículos circulan a través de este material, basado en cómo las versiones a una escala de juguete son conducidas a través de una caja de arena experimental que contiene la misma proporción de granos.

Ken Kamrin, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que la ley de escala puede permitir una amplia gama de pequeños experimentos para perfeccionar el diseño de vehículos a gran escala, tales como más optimizado tractores, topadoras y tanques. También podría aplicarse para traducir la locomoción de un vehículo en la Tierra a la navegación de un Rover en Marte, porque la relación permite también el escalamiento de la gravedad.

«Estoy emocionado ya que esta podría ser una nueva herramienta que podemos usar para diseñar Rovers para su conducción en Marte«, dice Kamrin. «Si tuviéramos un simulador de suelo marciano en el laboratorio, podríamos hacer experimentos con una forma de rueda que queramos probar, y luego usar esta ley de escala para, con más precisión, poder decirle si esa rueda se atascaría en Marte.»

Kamrin ha publicado un artículo detallando la ley de escala en la revista Physical Review E.

Los ingenieros de aviones usan típicamente leyes de escala para, por ejemplo, determinar la fuerza mínima de elevación requerida para mantener un jet de tamaño real en alto, basado en la misma elevación mínima para un vehículo modelo. Tales leyes de escala se derivan inicialmente de ecuaciones basadas en la física que describen la forma en que se comporta un fluido, como el aire.

«La idea es, si se puede identificar escalas dentro de las ecuaciones de flujo de fluido, que puede ser utilizado como una forma inmediata de traducir entre pequeños y grandes resultados«, dice Kamrin.

Su equipo buscó maneras de derivar una ley de escala de ecuaciones comunes para el flujo granular. Primero miraron a un conjunto generalizado de ecuaciones, conocido como teoría de la fuerza resistiva (RFT), que se utiliza para calcular la fuerza resistiva sobre un objeto que se mueve a través de un lecho de granos como la arena.

«Su único propósito es decir cuánta fuerza es necesaria para mover un objeto de forma arbitraria, en una cierta dirección, a través de la arena«.

Los investigadores trataron de simplificar la fórmula RFT haciendo muchos de sus insumos sin dimensiones, o sin unidades.

«Esto finalmente nos permite extraer las relaciones de escala«, dice Kamrin. «Por ejemplo, ‘metros’ no es una longitud natural, es algo que inventamos. Si nos deshacemos de todas estas unidades, nos quedaremos con la carne, algo que existe de verdad en el sistema «.

El equipo de Kamrin utilizó el teorema de Buckingham, la espina dorsal de la escala matemática, para ganar ciertas variables en RFT, tales como la longitud de una rueda, el ancho, y la masa, en parámetros adimensionales, simplificando así la ecuación general. La idea es que, derivando una ecuación que no es dependiente de ciertas unidades, esa misma ecuación puede ser usada para producir reglas para poder traducirse entre escalas del mismo sistema.

Después de derivar una ley de escalamiento de RFT, los investigadores buscaron probar si podían hacer lo mismo con otro conjunto de ecuaciones de flujo granular, un modelo continuo basado en el rendimiento de fricción. Estas ecuaciones mucho más detalladas describen el flujo de arena y la fuerza que crea al empujar contra un objeto resistente como una rueda. Incluso para estas ecuaciones más complejas, el equipo encontró que era capaz de derivar una ley de escala que coincidía con la que desarrolló a partir del modelo RFT más simple.

«Resulta que ambos dieron la misma respuesta, así que pensamos que tal vez esta ley de escala funcionará», dice Kamrin.

Pruebas de conducción

Para probar la ley de escala, Kamrin y sus colegas realizaron experimentos en el laboratorio del Grupo de Movilidad Robótica del MIT, donde los ingenieros han establecido un sistema de carriles y poleas que soporta una rueda motorizada mientras es conducida a través de un lecho de arena subyacente. El equipo de Kamrin utilizó una impresora tridimensional para construir pequeñas y grandes versiones de dos formas de ruedas diferentes: un diseño cilíndrico típico y una rueda de «lug» con cuatro brazos que se extienden desde un cilindro central.

Las dos formas fueron elegidas para demostrar dos comportamientos de conducción distintos, como ruedas cilíndricas, conducir suavemente con sinkage limitado, mientras que las ruedas con lengüetas cavan por el camino establecido y quitan los cúmulos de la arena.

Los investigadores midieron las dimensiones de cada rueda y las cargaron con cantidades variables de pesos, luego condujeron cada rueda a través de la cama de arena, anotando la potencia y velocidad de las ruedas pequeñas comparadas con sus contrapartes más grandes.

Realizaron 288 experimentos de este tipo, cada vez variando las dimensiones de la rueda, las velocidades de rotación y las masas. Luego utilizaron la ley de escala para ver si podían predecir la velocidad y la potencia de las ruedas grandes, basándose en el rendimiento de sus versiones más pequeñas.

«Nuestros datos siguieron las predicciones», dice Kamrin. «Las pequeñas pruebas predijeron los grandes ensayos, en un grado cuantitativo. Hemos validado muchas veces la exactitud de la ley de escala.»

En el futuro, el equipo dice que la ley de escala puede usarse para diseñar vehículos que puedan navegar mejor por el terreno arenoso.

«Piense en las excavadoras, todas estas cosas que necesitan manipular y mover el material granular», dice Kamrin. «Estos vehículos no están realmente optimizados. Una gran cantidad de equipos utilizados en la industria se basa en reglas básicas, pero resultados como éste podrían proporcionar un nuevo tipo de herramienta para ayudar a crear mejores diseños”.

Es casi universal: las personas que experimentan parálisis del sueño comúnmente ven o perciben una entidad amenazante que está al acecho en su habitación.

El fenómeno es parte de lo que hace la parálisis del sueño, una interrupción en tu ciclo del sueño que te deja despierto, pero físicamente paralizado, mientras tu cerebro permanece fijo en un estado de sueño, es aterrador.

Pero, ¿por qué sucede?

Para responder a esa pregunta, debes que entender cómo funciona la parálisis del sueño. Hay cinco etapas del sueño, y la parálisis del sueño es el producto de un mal funcionamiento durante la fase de movimiento rápido de los ojos (REM), que es cuando el sueño se lleva a cabo. Para evitar que actúen tus sueños y te hagas daño, el cerebro paraliza el cuerpo durante el sueño REM.

Durante el sueño el movimiento rápido del ojo (REM), nuestro cuerpo se paraliza para parar y dejar que fluyan nuestros sueños. Cuando la parálisis del sueño ocurre, las características del sueño REM continúan en nuestras vidas como si estuviésemos despiertos. Pero en particular, somos incapaces de movernos pudiendo experimentar alucinaciones, como ya hemos explicado.

Ambos factores los genéticos y los ambientales están en juego. Los genes circadianos pueden ser importantes, aunque es necesaria más investigación para especificar qué genes están envueltos. En cuanto a las influencias ambientales, parece ser que cualquier cosa que pueda perturbar nuestro sueño, incluyendo eventos estresantes de la vida y el consumo de alcohol, puede ser un factor de riesgo que induce a la parálisis del sueño.

Despertarse paralizado en un estado de sueño confunde el cerebro y asusta al soñador

«Por lo general, lo primero que sucede es que puedes sentir que hay alguna presencia en la habitación, contigo«, ha explicado el experto en parálisis del sueño Brian Sharpless, en cuyo libro «Trastornos psicológicos raros» explica detalladamente el proceso. «Es como caminar por un callejón oscuro y te sientes como si estuvieras siendo vigilado, esa sensación extraña donde te sientes muy vulnerable.»

Debido a que ese sentimiento de vulnerabilidad ocurre mientras estás soñando, el cerebro intenta organizar esa experiencia «en una figura para ayudar a explicar de dónde viene la amenaza«, dijo. «Obviamente, no vas a experimentar la presencia de un lindo osito de peluche, sino que vas a organizarlo usando las construcciones que están disponibles para ti», agregó.

Sobre lo que alucines, depende mucho de tu trasfondo individual y cultural. Si tienes un fondo profundamente religioso, es muy posible que veas un demonio; si eres un millennial de los EEUU, tal vez es la sombra de una persona; si eres el presidente Mariano Rajoy, tal vez a quien veas sea a Carles Puigdemont o a la difunta Rita Barberá.

Si experimentas parálisis del sueño, ¿cómo evitar el demonio imaginario?

No hay una manera infalible para que puedas deshacerte del intruso de tu pesadilla, pero la investigación ha descubierto métodos para reducir el terror y hacer que la parálisis del sueño tenga un final más rápido. Sharpless ha comentado que «lo mejor que puedes hacer es, en esos momentos, reconocer que no estás siendo atacado por un demonio, pero estás experimentando una variación natural del ciclo del sueño humano«.

Otros consejos: centrar tu atención en una parte específica de tu cuerpo como el dedo del pie o la nariz y tratar de moverlo; dormir de lado; mantener hábitos de sueño saludables y consistentes y evitar beber alcohol antes de acostarse.

Tratamientos para la parálisis del sueño

La parálisis del sueño a menudo mejora con el tiempo, pero la mejora en los hábitos del sueño y en el dormir, el medio ambiente puede ayudar mucho.

También te puede ayudar:

• Tener una buena noche de sueño, la mayoría de los adultos necesitan de seis a ocho horas de buena calidad de sueño durante la noche
• Ir a la cama aproximadamente a la misma hora cada noche y levantarse a la misma hora cada mañana
• Crear un ambiente para dormir que sea cómodo, tranquilo, oscuro y no demasiado caliente o frío
• Evitar comer grandes comidas, fumar, o beber alcohol o cafeína poco antes de ir a la cama
• Hacer ejercicio de forma regular (pero no dentro de las cuatro horas antes de ir a la cama)

Si tu parálisis del sueño es particularmente grave, un médico especialista puede sugerirte que tomes medicación antidepresiva, como la clomipramina.

Éstos trabajan alterando el sueño REM y se prescriben normalmente en dosis más bajas que cuando se utilizan para la depresión.

Los investigadores de Reino Unido dicen que las personas pertenecientes a minorías étnicas tienen un riesgo cinco veces mayor de trastornos psicóticos que la población blanca.

Un nuevo estudio revela que la tendencia se mantiene tanto en zonas urbanas como rurales, con la primera generación de migrantes que llegan al Reino Unido en la infancia entre los que corren mayor riesgo.

El equipo autor del estudio dice que una serie de factores podrían estar en juego, incluyendo las tensiones relacionadas con el proceso de migración, la discriminación y cuestiones relacionadas con el aislamiento y la integración.

James Kirkbride, un epidemiólogo psiquiátrico del University College de Londres y uno de los autores de la investigación, describió las cifras como impactantes.

Si se tratara de cualquier otro trastorno, estaríamos horrorizados, alertados y haciendo campaña desde la perspectiva de la salud pública sobre cómo reducir este nivel de sufrimiento», dijo. «Hay una enorme desigualdad en la salud y no se le presta mucha atención».

Mientras que la psicosis es rara, las tasas en Inglaterra son de alrededor de 30 casos por cada 100.000 personas al año, Kirkbride dice que se debe hacer más para ofrecer servicios a los necesitados y para evitar los factores de riesgo elevados.

«En el clima actual, cuando las cuestiones relacionadas con la migración están a la vanguardia de la mente del público, las personas pertenecientes a minorías étnicas pueden presentar estrés adicional que podría contribuir a agravar los problemas de salud mental«, agregó.

Escribiendo en la revista Schizophrenia Bulletin, Kirkbride y colegas de la Universidad de Cambridge y una colección de fideicomisos de la fundación del NHS describen cómo observaron las tendencias entre 687 personas en el este de Inglaterra. Todos tenían entre 16 y 35 años de edad, habían recibido un diagnóstico clínico de un trastorno psicótico y no habían tenido previamente un episodio de psicosis.

Los resultados revelan que, en comparación con el riesgo de trastornos psicóticos en la población británica blanca, las personas de origen caribeño y de color tenían un riesgo 4.6 veces mayor. Los de origen pakistaní o africano negro o de origen étnico mixto tuvieron un riesgo 2,3 veces, 4,1 veces y 1,7 veces superior, respectivamente. Los individuos blancos no británicos no tenían un mayor riesgo de trastornos psicóticos.

Aunque en general no hubo un aparente aumento del riesgo de trastornos psicóticos entre los migrantes de primera generación, el equipo halló que había un mayor riesgo para ciertos grupos. En general, el riesgo de trastornos psicóticos fue mayor para aquellos que se trasladaron a Gran Bretaña entre las edades de 5 y 12 años, en más del doble del riesgo observado para la población británica blanca.

Es algo que tiene que ver con el proceso de migración y las experiencias posteriores que la gente tiene las que parecen aumentar el riesgo de estas personas», dijo Kirkbride. «No tiene que ver con las tasas más altas en otros países«.

El equipo también encontró un mayor riesgo entre generaciones posteriores. En general, las personas pertenecientes a grupos de minorías étnicas nacidas en el Reino Unido tenían casi 2,6 veces más probabilidades de padecer un trastorno psicótico que la población británica blanca nacida en el Reino Unido, y también aumentaron las tasas de inmigrantes blancos no británicos nacidos en el Reino Unido. «La segunda generación y los grupos posteriores tienen que hacer frente a una gama de diferentes presiones, y podrían estar relacionados con vivir en un país donde han nacido y nacido, y son ciudadanos de ese país, pero en realidad todavía enfrentan barreras y Cosas como la discriminación debido a su condición de minoría étnica«, dijo Kirkbride.

Rhiannon Corcoran, profesor de psicología de la Universidad de Liverpool que no participó en la investigación, dio la bienvenida al estudio, diciendo que, si bien otras investigaciones han puesto de relieve un vínculo entre el aumento del riesgo de trastornos psicóticos y la migración, vivir en la ciudad es un factor también conocido por aumentar el riesgo de trastornos psicóticos.

Pero Corcoran cree que es importante deshacer lo que hay detrás del vínculo, en particular para los niños que migran, señalando que factores como el sentido de pertenencia, las amenazas percibidas en el nuevo país y las demandas contradictorias de adaptarse a diferentes culturas en el hogar y con sus compañeros podrían desempeñar un papel muy importante en la configuración psicológica.

Junto con más investigaciones en este campo, dijo que los nuevos hallazgos «abren todo tipo de posibilidades para intervenciones políticas dirigidas a hacer que nuestras comunidades sean más psicológicamente benignas«.

La concha de los organismos marinos sufre golpe por las tormentas y las mareas, las rocas marinas, corales y los depredadores de dientes afilados. Pero como ha demostrado una investigación reciente, un tipo de cáscara sobresale por encima de todos los otros en su dureza: la concha.

Ahora, los investigadores del MIT han explorado los secretos escondidos detrás de la resistencia extraordinaria a los impactos de estas conchas. Y han demostrado que esta fuerza superior puede ser reproducida en materiales diseñados por la ingeniería, potencialmente para proporcionar el mejor casco de protección y la más segura armadura corporal.

Los hallazgos han sido publicados en la revista Advanced Materials, en un artículo del estudiante graduado del MIT, Grace Gu, el postdoctor Mahdi Takaffoli y el profesor de ingeniería de McAfee, Markus Buehler.

La concha «tiene esta arquitectura realmente única», explica Gu. La estructura hace que el material sea 10 veces más resistente que el nácar, y es comúnmente conocido como madreperla. Esta resistencia a las fracturas, proviene de una configuración única basada en tres niveles diferentes jerárquicos en la estructura interna del material.

La estructura de tres niveles hace que sea muy difícil para que cualquier fisura diminuta pueda expandirse y ampliarse, dice Gu. El material tiene una «matriz en zigzag, por lo que la grieta tiene que pasar por una especie de laberinto» con el fin de propagarse, dice ella.

Hasta hace poco, incluso después de que se entendiera la estructura de la concha, «no se podía explicar así. Pero ahora, nuestro laboratorio ha desarrollado una tecnología de impresión tridimensional que nos permite duplicar esa estructura y ser capaz de probarla«, dice Buehler, quien es el jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.

Parte de la innovación implicada en este proyecto fue la habilidad del equipo para simular el comportamiento del material y analizar su desempeño real bajo condiciones realistas.» En el pasado, muchas pruebas de materiales protectores eran pruebas estáticas», explica Gu. «Pero muchas aplicaciones para usos militares o deportivos implican una carga altamente dinámica», lo que requiere un examen detallado de cómo se distribuyen los efectos de un impacto a lo largo del tiempo.

Para este trabajo, los investigadores hicieron pruebas en una torre de caída que les permitió observar exactamente cómo las grietas aparecieron y se dilataron, o no se dilataron, en los primeros instantes después de un impacto. «Hubo un acuerdo asombroso entre el modelo y los experimentos», dice Buehler.

Esto se debe en parte a que el equipo fue capaz de imprimir materiales compuestos con estructuras controladas con precisión, en lugar de usar muestras de conchas reales, que pueden tener variaciones impredecibles y que pueden complicar el análisis. Al imprimir las muestras, «podemos usar exactamente la misma geometría» que se usa en las simulaciones por ordenador, «y estamos muy de acuerdo». Ahora, al continuar el trabajo, pueden concentrarse en hacer pequeñas variaciones «como base para la futura optimización «, dice Buehler.

Para probar la importancia relativa de los tres niveles de estructura, el equipo intentó hacer variaciones del material con diferentes niveles de jerarquía. Los niveles más altos de la jerarquía se introducen incorporando características de escala de longitud más pequeñas en el compuesto, como en una concha real. Sin lugar a dudas, las estructuras de nivel inferior mostraron ser significativamente más débiles que el nivel más alto perseguido en este estudio, que consistía en las características laminares cruzadas inherentes a las conchas de concha naturales.

Las pruebas demostraron que la geometría con las características de la concha y entrecruzadas eran el 85 por ciento mejor en la prevención de la propagación de la grieta que el material base más fuerte, y un 70 por ciento mejor que un arreglo de compuesto de fibra tradicional, dice Gu.

Los cascos protectores y otros equipos resistentes al impacto requieren una combinación clave de fuerza y ​​dureza, explica Buehler. La fuerza se refiere a la capacidad de un material para resistir el daño, el acero en un buen representante de esto, por ejemplo. Resistencia, por otro lado, se refiere a la capacidad de un material para disipar la energía, como lo hace el caucho. Los cascos tradicionales utilizan una fárfara de metal para la fuerza y ​​un forro flexible para la comodidad y la disipación de la energía. Pero en el nuevo material compuesto, esta combinación de cualidades se distribuye a través de todo el material.

«Esto tiene una rigidez, como el vidrio o la cerámica», dice Buehler, pero carece de la fragilidad de esos materiales, gracias a la integración de materiales con diferentes grados de resistencia y flexibilidad dentro de la estructura compuesta. Al igual que el contrachapado, el compuesto se compone de capas cuyo «grano», o la alineación interna de sus materiales, se orienta de manera diferente de una capa a la siguiente.

Debido al uso de la tecnología de impresión tridimensional, este sistema permitiría producir cascos individualizados u otra armadura. Cada casco, por ejemplo, podría ser «personalizado; el ordenador lo optimizaría para ti, basado en una exploración de tu cráneo, y el casco sería impreso acto seguido,» explica, Gu.

Estos investigadores «utilizaron ingeniosamente la impresión tridimensional y la experimentación para dilucidar el efecto de la jerarquía material en los compuestos bioinspirados«, dice Horacio Espinosa, profesor de ingeniería mecánica y director del programa de Mecánica Teórica y Aplicada de la Northwestern University, que no participó este trabajo. «Una interesante cuestión pendiente», dice, «es la aplicabilidad del diseño de la concha a superficies curvas como las que se encontrarían en cascos».

Un dispositivo controlado por la mente, y que lee las señales cerebrales, ayuda a los pacientes con accidente cerebrovascular a entrenar sus cerebros para mover las manos paralizadas.

Según un nuevo estudio de la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, los pacientes con accidente cerebrovascular que aprendieron a usar sus mentes para abrir y cerrar un dispositivo en sus manos paralizadas y adquirieron cierto control sobre sus manos; el nuevo dispositivo de IA lee señales cerebrales.

Mediante el control mental del dispositivo con la ayuda de una interfaz cerebro-computadora, los participantes entrenaron las partes no lesionadas de su cerebro para asumir funciones anteriormente realizadas por las áreas ahora lesionadas del cerebro, dijeron los investigadores.

«Hemos demostrado que una interfaz cerebro-computadora usando el hemisferio intacto puede lograr una recuperación significativa en pacientes con ictus crónico«, dijo Eric Leuthardt, MD, profesor de neurocirugía, de neurociencia, de ingeniería biomédica y de ingeniería mecánica y ciencias aplicadas, Y el autor del estudio.

El accidente cerebrovascular es la principal causa de discapacidad adquirida entre los adultos. Alrededor de 700.000 personas en los Estados Unidos experimentan un accidente cerebrovascular cada año, y 7 millones están viviendo con las secuelas. En España la estadística es de una tasa de 267,6 fallecidos por cada 100.000 habitantes, que significa un aumento del 3,1% respecto al año 2015.

En las primeras semanas después de un derrame cerebral, las personas recuperan rápidamente algunas habilidades, pero su progreso suele estar en mesetas después de unos tres meses.

«Elegimos evaluar el dispositivo en pacientes que tuvieron su primer derrame cerebral seis meses o anteriores a estos porque no hay muchas garantías de que están en ese punto», dijo Thy Huskey, MD, profesor asociado de neurología en La Escuela de Medicina y director del programa del Centro de Rehabilitación de Accidente Cerebrovascular de Excelencia en el Instituto de Rehabilitación de St. Louis. Algunos pierden la motivación, pero tenemos que seguir trabajando en encontrar una tecnología para ayudar a esta población de pacientes que suele estar muy desatendida.

David Bundy, el primer autor del estudio y ex estudiante graduado en el laboratorio de Leuthardt, trabajó para aprovechar una peculiaridad de cómo el cerebro controla el movimiento de los miembros. En general, las áreas del cerebro que controlan el movimiento están en el lado opuesto del cuerpo de las extremidades que controlan. Pero hace aproximadamente una década, Leuthardt y Bundy, que ahora es investigador postdoctoral en el Centro Médico de la Universidad de Kansas, descubrieron que una pequeña área del cerebro juega un papel importantísimo en la planificación del movimiento en el mismo lado del cuerpo.

Para mover la mano izquierda, se dieron cuenta de que las señales eléctricas específicas que indican la planificación del movimiento aparecen por primera vez en un área del motor en el lado izquierdo del cerebro. En cuestión de milisegundos, las áreas motoras del lado derecho se activan, y la intención del movimiento se traduce en la contracción real de los músculos de la mano.

Una persona cuya mano izquierda y el brazo están paralizados ha sufrido daños en las áreas motoras en el lado derecho del cerebro. Pero el lado izquierdo del cerebro de la persona, con frecuencia, está intacto, lo que significa que muchos pacientes con accidente cerebrovascular todavía pueden generar las señales cerebrales eléctricas que indica una intención de moverse. Las señales cerebrales, sin embargo, no va a ninguna parte ya que el área que ejecuta el plan de movimiento está “fuera de servicio”.

«La idea es que si se pueden combinar las señales del motor que se asocian, con el movimiento de la extremidad de un mismo lado, con los movimientos reales de la mano, se harán nuevas conexiones en el cerebro que permiten a las áreas no lesionadas de su cerebro para hacerse cargo del control de la mano paralizada«, dijo Leuthardt.

El Ipsihand comprende una tapa que contiene electrodos para detectar señales eléctricas en el cerebro, una computadora que amplifica las señales, y una llave móvil que se ajusta sobre la mano paralizada. El dispositivo detecta la intención del usuario de abrir o cerrar la mano paralizada, y mueve la mano en forma de pinza, con el segundo y tercer dedos doblándose para encontrarse con el pulgar.

«Por supuesto, hay mucho más para usar tus brazos y manos para ellos, pero ser capaz de comprender y usar tu pulgar oponible es muy valioso«, dijo Huskey. «Solo porque tu brazo no se mueve exactamente como antes, no es inútil, podemos todavía interactuar con el mundo con el brazo debilitado«.

Leuthardt desempeñó un papel clave en la elucidación de la ciencia básica, y trabajó con Daniel Moran, profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Washington, para desarrollar la tecnología detrás de la Ipsihand. Él y Moran cofundaron la compañía Neurolutions Inc. para continuar desarrollando el Ipsihand.

Para probar el Ipsihand, Huskey reclutó a pacientes con accidente cerebrovascular severamente dañados y los entrenó para usar el dispositivo en casa. Los participantes fueron alentados a utilizar el dispositivo al menos cinco días a la semana, durante 10 minutos a dos horas al día. Trece pacientes comenzaron la terapia, pero tres abandonaron debido a problemas de salud no relacionados, falta de adaptación del dispositivo o incapacidad para cumplir con el compromiso de tiempo. Diez pacientes completaron el estudio.

Los participantes se sometieron a una evaluación de las habilidades motoras estándar al inicio del estudio y cada dos semanas a lo largo del mismo. La prueba midió su capacidad de coger y apretar con sus manos, y hacer movimientos grandes con los brazos. Entre otras cosas, se pidió a los participantes que recogieran una manzana y la colocaran encima de una torre, colocaran un tubo alrededor de un tubo más pequeño y movieran las manos hacia la boca. Las puntuaciones más altas indicaron una mejor función.

Después de 12 semanas de uso del dispositivo, las puntuaciones de los pacientes aumentaron un promedio de 6,2 puntos en una escala de 57 puntos.

«Un aumento de seis puntos representa una mejora significativa en la calidad de vida«, dijo Leuthardt. «Para algunas personas, esto representa la diferencia entre ser incapaces de ponerse los pantalones por sí mismos y ser capaces de hacerlo«.

Cada participante también calificó su habilidad para usar el brazo afectado y su satisfacción con las habilidades. Las habilidades auto-reportadas y la satisfacción mejoraron significativamente durante el curso del estudio.

«A medida que la tecnología para captar las señales cerebrales mejora, estoy seguro de que el dispositivo será aún más eficaz para ayudar a los pacientes con apoplejía a recuperar alguna función«, dijo Huskey.

Me pregunto, ¿qué pasará si presiono este botón? Algoritmos armados con un sentido de la curiosidad (sería como una IA curiosa) se les está enseñando a descubrir y resolver problemas que nunca se habían planteado antes.

Ante el nivel uno de Super Mario Bros, una IA curiosa aprendió a explorar, evitar pozos, esquivar y matar enemigos. Esto podría no sonar impresionante, los algoritmos han estado sorprendiendo a los seres humanos en los videojuegos durante unos años, pero las habilidades de esta IA curiosa, que es como la deberíamos llamar, fueron aprendidas gracias a un deseo intrínseco de descubrir más sobre el funcionamiento del juego.

Los algoritmos de IA convencionales se enseñan mediante refuerzo positivo. Son recompensados ​​por lograr algún tipo de objetivo externo, como subir la puntuación en un videojuego en un punto. Esto los anima a realizar acciones que aumentan su puntuación, como pisar a los enemigos en el caso de Mario, y los desalienta de realizar acciones que no aumentan la puntuación, como caer en un hoyo.

Este tipo de enfoque, llamado aprendizaje de refuerzo, se utilizó para crear AlphaGo, el ordenador Go-playing de Google DeepMind que venció al maestro coreano Lee Sedol por cuatro partidos a uno el año pasado. Más de miles de juegos reales y simulados, el algoritmo AlphaGo aprendió a seguir las estrategias que llevaron a la recompensa final: una victoria.

Pero el mundo real no está lleno de recompensas, piensa Deepak Pathak, quien dirigió el estudio en la Universidad de California en Berkeley. «En cambio, los seres humanos tienen una curiosidad innata que les ayuda a aprender«, dice, lo cual puede ser la razón por la cual somos tan buenos en dominar una amplia gama de habilidades sin necesariamente esforzarnos por aprender.

Así que, Pathak se propuso dar a su propio algoritmo de aprendizaje de refuerzo un sentido de curiosidad, para ver si eso sería suficiente para permitirle aprender una variedad de habilidades. El algoritmo de Pathak experimenta una recompensa cuando aumenta la comprensión de su entorno, particularmente las partes que directamente lo afectan. Por lo tanto, en lugar de buscar una recompensa en el mundo del juego, el algoritmo es recompensado al explorar y dominar las habilidades que le llevan a descubrir más cosa sobre el mundo o “la realidad”.

Este tipo de enfoque puede acelerar los tiempos de aprendizaje y mejorar la eficiencia de los algoritmos, dice Max Jaderberg de la empresa de Google, DeepMind. La empresa utilizó una técnica similar el año pasado para enseñar a la IA a explorar un laberinto virtual. Su algoritmo aprendió mucho más rápidamente que los enfoques convencionales de aprendizaje de refuerzo. «Nuestro agente es mucho más rápido y requiere mucha menos experiencia del mundo para entrenar, por lo que es mucho más eficiente en los datos», dice.

Un alumno aventajado

Imbuido de curiosidad, la propia IA curiosa de Pathak aprendió a pisotear a los enemigos y saltar sobre cajas en el videojuego del Super Mario Bros y también aprendió a explorar habitaciones lejanas y caminar por los pasillos en otro juego similar al Doom. También fue capaz de aplicar sus habilidades recién adquiridas a otros niveles de Mario a pesar de nunca haberlos visto antes.

Pero hasta ahora este algoritmo para IA curiosa solo se puede aplicar en Mario. En promedio, se ha explorado solo el 30 por ciento del nivel uno, ya que no podía encontrar una forma más allá de una serie de fosos, que solo se podía superar a través de una secuencia de más de 15 pulsaciones del botón. En vez de saltar a su propia muerte, la IA curiosa aprendió a volverse sobre sí misma y detenerse cuando alcanzaba ese punto.

La IA curiosa puede haberse quedado desconcertada porque no tenía idea de lo que había más en el nivel para explorar más allá de la fosa, dice Pathak. No aprendió a tomar consistentemente atajos útiles en el juego, ya que la llevaron a descubrir menos de ese nivel por lo que no pudo saciar su impulso de exploración.

Parker está trabajando ahora para ver si los brazos robóticos pueden aprender por curiosidad captar nuevos objetos. «En lugar de que actúe al azar, podría usar eso para ayudarlo a moverse significativamente», dice. También planea ver si un algoritmo similar podría ser utilizado en robots domésticos similares a la aspiradora Roomba.