Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

El cerebro humano es una vasta red de señales eléctricas y, durante décadas, los científicos han buscado formas de estimular suavemente estas señales desde fuera del cráneo para comprender cómo funciona la mente o para tratar afecciones como la depresión. Un método poderoso para lograr esto es la estimulación magnética transcraneal. Funciona creando un campo magnético breve e intenso que atraviesa el cráneo sin tocarlo. Este campo magnético, a su vez, induce una pequeña corriente eléctrica en el tejido cerebral debajo de él, lo que puede despertar o calmar grupos específicos de neuronas. Si bien esta técnica se ha convertido en una herramienta estándar en la investigación y en una terapia aprobada para ciertas condiciones médicas, las máquinas que generan estos pulsos magnéticos son típicamente masivas, complejas y prohibitivamente caras, costando a menudo decenas de miles de dólares. Este alto precio mantiene la tecnología fuera del alcance de muchos laboratorios de enseñanza universitaria, grupos de investigación más pequeños y científicos independientes que podrían querer experimentar con nuevas formas de estimular el cerebro.

Un equipo de investigadores de la Universidad McGill se ha propuesto cambiar esa dinámica construyendo una versión funcional de esta máquina por una fracción del costo habitual. Crearon un dispositivo que puede entregar el mismo tipo de pulso magnético utilizado en estudios profesionales, pero lo construyeron utilizando piezas comunes y estandarizadas que cualquiera con habilidades básicas de electrónica podría comprar. La máquina completa, incluyendo la bobina especializada que se coloca contra la cabeza, fue construida por aproximadamente 700 dólares. Los investigadores no solo ensamblaron las piezas; probaron rigurosamente el dispositivo para asegurar que pudiera generar campos magnéticos lo suficientemente fuertes como para potencialmente activar células cerebrales humanas. Su trabajo demuestra que la estimulación cerebral de alta potencia no requiere un presupuesto de laboratorio de millones de dólares, siempre que los constructores tengan el conocimiento técnico adecuado y respeten los significativos riesgos de seguridad involucrados.

El núcleo de este nuevo dispositivo es un concepto simple pero poderoso: almacenar una gran cantidad de energía eléctrica y liberarla toda a la vez a través de una bobina de alambre. Los investigadores utilizaron un banco de capacitores, que son componentes que retienen la carga eléctrica como un capacitor retiene el agua en una batería, para almacenar energía. Cargaron estos capacitores a un voltaje muy alto, alrededor de 1,460 voltios, utilizando un circuito de carga construido a partir de una fuente de alimentación estándar de 24 voltios y un transformador especializado. Una vez que los capacitores estuvieron llenos, el equipo activó un interruptor llamado tiristor para liberar la energía almacenada en una fracción de segundo. Esta súbita oleada de electricidad fluyó a través de una bobina personalizada con forma de ocho, creando un cambio rápido en el campo magnético. Esta forma específica y la velocidad del pulso son cruciales porque determinan cómo interactúa el campo magnético con el cerebro. El pulso resultante duró aproximadamente 90 microsegundos, una duración que los investigadores calcularon sería efectiva para estimular las neuronas.

La seguridad fue una preocupación primordial durante todo el diseño, dado que el dispositivo almacena suficiente energía como para ser letal si se manipula incorrectamente. El equipo construyó múltiples capas de protección para prevenir descargas accidentales o descargas incontroladas. La máquina está alojada en una caja de plástico transparente para que el operador pueda ver el interior mientras funciona, y los componentes de alto voltaje están separados de la electrónica de control mediante barreras físicas y eléctricas. Para asegurar que la máquina no pueda encenderse a menos que sea seguro, instalaron interbloqueos que cortan la energía si la caja se abre o si una segunda persona no está presente para sostener un interruptor de seguridad. También incluyeron un palo largo y aislado con un gancho metálico en el extremo, lo que permite a un operador drenar manualmente la energía restante de los capacitores desde una distancia segura sin tener que abrir la caja. Estas medidas fueron diseñadas para mitigar los riesgos de trabajar con tales voltajes y corrientes, que pueden alcanzar más de 5,000 amperios durante el breve momento en que se dispara el pulso.

Para probar que su máquina casera realmente funcionaba, los investigadores tuvieron que medir el campo magnético que producía sin depender de sensores comerciales costosos. Construyeron una bobina de sensor pequeña y simple y la movieron a muchas posiciones diferentes bajo la bobina de estimulación principal para mapear el campo magnético. Al analizar cómo cambiaba el voltaje en su sensor, calcularon la velocidad a la que cambiaba el campo magnético, un factor clave para determinar qué tan fuerte sería la estimulación en el cerebro. Sus mediciones mostraron que, a máxima potencia, el dispositivo producía una tasa de cambio de campo magnético de unos 111 amperios por microsegundo. Cuando introdujeron estos datos en una simulación por computadora de una cabeza humana, los resultados indicaron que el dispositivo podía generar campos eléctricos en el cerebro lo suficientemente fuertes como para exceder el umbral promedio necesario para activar las neuronas motoras. Específicamente, la simulación sugirió que el dispositivo podría producir campos de 159 voltios por metro en la parte posterior de la cabeza y 196 voltios por metro en el lateral, ambos muy por encima de los niveles típicamente requeridos para desencadenar una respuesta en el cerebro.

Los investigadores compararon el rendimiento de su dispositivo casero con los datos de una máquina comercial para asegurar que sus métodos de medición fueran precisos. Encontraron que su enfoque de bajo costo para medir el campo magnético era altamente confiable, con resultados que coincidían con los valores reportados por la máquina comercial dentro de un pequeño margen de error. Esta validación brinda confianza en que su dispositivo casero está funcionando según lo previsto. Sin embargo, los autores advierten cuidadosamente que este es un prototipo de investigación, no un dispositivo médico aprobado para uso en humanos. Enfatizan que, si bien la máquina puede generar la energía necesaria, no ha sido probada en personas o animales, y carece de la validación clínica requerida para terapia. El dispositivo está destinado al uso de investigadores capacitados que comprendan la electrónica de alto voltaje y puedan seguir estrictos protocolos de seguridad.

Este proyecto representa un paso significativo hacia la democratización del acceso a herramientas avanzadas de neurociencia. Al demostrar que un estimulador magnético funcional y de alta potencia puede construirse por el precio de unos pocos cientos de dólares utilizando componentes accesibles, el equipo ha abierto la puerta para que más científicos experimenten con técnicas de estimulación cerebral. El trabajo demuestra que la barrera de entrada para este campo no es solo la complejidad de la física, sino en gran medida el costo del equipo. Si bien el dispositivo aún no está listo para el uso clínico, ofrece una plataforma potente y de bajo costo para que los investigadores estudien cómo diferentes formas de pulso y diseños de bobinas afectan al cerebro, lo que potencialmente conducirá a nuevos descubrimientos en nuestra comprensión y tratamiento de condiciones neurológicas. El éxito de esta construcción sugiere que, con una ingeniería cuidadosa y un compromiso con la seguridad, las herramientas de la neurociencia moderna pueden estar al alcance de una comunidad de científicos mucho más amplia.