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Laboratorio de Neuroingeniería

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Investigación

Nuestro grupo aplica técnicas de ingeniería para investigar la función y manipular el sistema nervioso central y periférico. Las investigaciones realizadas en nuestro laboratorio se centran en la recuperación funcional y la movilidad después de lesiones neurológicas utilizando enfoques de neuromodulación. Diseñamos intervenciones innovadoras para promover la neuro-recuperación a través de interfaces neuronales. Estas interfaces nos permiten registrar la actividad neuronal y estimular el sistema nervioso para modular y fortalecer las vías neuronales. Actualmente la principal línea de investigación que se lleva a cabo en nuestro laboratorio es Neuroprótesis para la reducción del temblor.

Líneas de investigación

1. Neuroprótesis para la reducción del temblor

El principal objetivo de esta línea de investigación es investigar la capacidad de la estimulación eléctrica periférica para modular los centros espinales y supraespinales implicados en la patogénesis del temblor en pacientes con temblor esencial y enfermedad de Parkinson. Para lograr este objetivo, combinamos varias evaluaciones electrofisiológicas que van desde potenciales de campo local, potenciales evocados somatosensoriales y potenciales evocados motores, entre otros. El segundo objetivo de esta línea de investigación es evaluar la potencial transferencia de beneficios de una terapia basada en estimulación eléctrica periférica. Para ello, estamos desarrollando un sistema que se probará en casa y evaluaremos su viabilidad como herramienta de intervención para reducir el temblor a largo plazo.

    2. Técnicas de Inteligencia Artificial para predecir eventos de temblor patológico


    En los últimos años, hemos demostrado la capacidad de algunas técnicas de IA para predecir con precisión eventos de temblor a partir de datos cinemáticos y EMG offline. Se trata de un trabajo colaborativo con el Dr. Álvaro Gutiérrez (UPM, Madrid) y el Dr. Alejandro Pascual Valdunciel (Imperial College London, Reino Unido). Actualmente, estamos investigando el potencial de algunas técnicas de IA para predecir con precisión eventos de temblores online. El objetivo principal es implementar este enfoque hacia terapias personalizadas que puedan reducir el temblor patológico de manera más eficiente.

    3. Sinergias musculares como biomarcadores del control neuronal patológico


    Desde 2010, hemos desarrollado nuevas métricas basadas en el análisis de sinergias musculares para evaluar cuantitativamente las deficiencias sensoriomotoras en poblaciones que sufrieron un accidente cerebrovascular o una lesión de la médula espinal. Se trata de un trabajo colaborativo con el Dr. Diego Torricelli del CSIC. Estas métricas han sido validadas como complemento a los procedimientos de evaluación clínica actuales. Más recientemente, trasladamos este conocimiento para estudiar la coordinación muscular en personas con dolor patelofemoral. Actualmente, combinamos el análisis de las sinergias musculares con biomarcadores cinemáticos para investigar el estado neuromotor de los pacientes con enfermedad de Parkinson durante la marcha, además de la progresión de la enfermedad.

    4. Control en tiempo real de exoesqueletos robóticos basado en electromiografía


    También estamos desarrollando un controlador basado en EMG para guiar exoesqueletos en tiempo real durante la marcha. Se trata de un trabajo colaborativo con el Dr. Juan C. Moreno del CSIC. Nuestra investigación anterior demostró la viabilidad de usar este controlador en voluntarios sanos. Ahora estamos trabajando en la traslación a la rehabilitación de pacientes que han sufrido una lesión medular incompleta. Nuestro enfoque permitirá un control más intuitivo de los exoesqueletos, que se espera que mejore los resultados funcionales de los pacientes.

    Personal 

    Filipe Oliveira Barroso

    Jefe de grupo

    Cristina Montero Pardo

    Investigadora predoctoral

    İrem Akgun

    Investigadora predoctoral

    Míriam Múgica Esteve

    Estudiante de máster

    María España Fontán

    Estudiante de grado

    Maria Pulido Agüero

    Estudiante de grado

    Publicaciones 

    Lista de las publicaciones más representativas

    • Alejandro Pascual Valdunciel; Nish Mohith Kurukuti; Cristina Montero Pardo; Filipe Oliveira Barroso; José Luis Pons. 2023. Modulation of spinal circuits following phase-dependent electrical stimulation of afferent pathways. Journal of Neural Engineering. 20. https://doi.org/10.1088/1741-2552/acb087.
    • Cintia Lopes Ferreira; Filipe Oliveira Barroso; Diego Torricelli; José L. Pons; Fabiano Politti; Paulo Roberto Garcia Lucareli. Muscle synergies analysis shows altered neural strategies in women with patellofemoral pain during walking. PLOS ONE. 2023. 18 – 10. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0292464.
    • Alejandro Pascual Valdunciel; Víctor Lopo Martínez; Rafael Sendra Arranz; Miguel González Sánchez; Javier Ricardo Pérez Sánchez; Francisco Grandas; Diego Torriceli; Juan C. Moreno; Filipe Oliveira Barroso; José L. Pons; Álvaro Gutiérrez. 2022. Prediction of Pathological Tremor Signals Using Long Short-Term Memory Neural Networks. IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics. https://doi.org/10.1109/JBHI.2022.3209316.
    • Laura Becerra Fajardo; Marc Oliver Krob; Jesus Minguillon; Camila Rodrigues; Christine Welsch; Marc Tudela Pi; Albert Comerma; Filipe Oliveira Barroso; Andreas Schneider; Antoni Ivorra. 2022. Floating EMG sensors and stimulators wirelessly powered and operated by volume conduction for networked neuroprosthetics. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 19-1. https://doi.org/10.1186/s12984-022-01033-3.
    • Alejandro Pascual Valdunciel; Grace W. Hoo; Simon Avrillon; Filipe Oliveira Barroso; Jennifer G. Goldman; Julio C. Hernandez Pavon; José L. Pons. 2021. Peripheral electrical stimulation to reduce pathological tremor: a review. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 18-1. https://doi.org/10.1186/s12984-021-00811-9.
    • Lilla Botzheim; Jozsef Laczko; Diego Torricelli; Mariann Mravcsik; Jose L. Pons; Filipe Oliveira Barroso. 2021. Effects of gravity and kinematic constraints on muscle synergies in arm cycling. Journal of Neurophysiology. 125-4, pp.1367-1381. https://doi.org/10.1152/jn.00415.2020.
    • Alejandro Pascual Valdunciel; Miguel Gonzalez Sanchez; Silvia Muceli; Silvia Muceli; Beatriz Adán-Barrientos; Viviana Escobar-Segura; Javier Ricardo Pérez-Sánchez; Moon Ki Jung; Andreas Schneider; Klaus-Peter Hoffmann; Juan Camilo Moreno; Francisco Grandas; Dario Farina; José Luis Pons; Filipe Oliveira Barroso. 2020. Intramuscular stimulation of muscle afferents attains prolonged tremor reduction in essential tremor patients. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1109/TBME.2020.3015572.
    • Cristiano Alessandro; Filipe Oliveira Barroso; Adarsh Prashara; David P. Tentler; Hsin-Yun Yeh; Matthew C. Tresch. 2020. Coordination amongst quadriceps muscles suggests neural regulation of internal joint stresses, not simplification of task performance. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117-14, pp.8135-8142. https://doi.org/10.1073/pnas.1916578117.
    • Filipe O. Barroso; Cristiano Alessandro; Matthew C. Tresch. 2019. Adaptation of muscle activation after patellar loading demonstrates neural control of joint variables. Scientific Reports. 9. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56888-9.
    • Filipe O. Barroso; Bryan Yoder; David Tentler; Josephine J. Wanner; Amina A. Kinkhabwala; Maria K. Jantz; Robert D. Flint; Pablo M. Tostado; Evonne Pei; Ambika D. R. Satish; Sarah K. Brodnick; Aaron J. Suminski; Justin C. Williams; Lee E. Miller; Matthew C. Tresch. 2019. Decoding neural activity to predict rat locomotion using intracortical and epidural arrays. Journal of Neural Engineering. 16-3. https://doi.org/10.1088/1741-2552/ab0698.
    • Silvia Muceli; Wigand Poppendieck; Klaus-Peter Hoffmann; Strahinja Dosen; Julián Benito-León; Filipe O. Barroso; José L. Pons; Dario Farina. 2019. A thin-film multichannel electrode for muscle recording and stimulation in neuroprosthetics applications. Journal of Neural Engineering. 16-2. https://doi.org/10.1088/1741-2552/ab047a.
    • Cristiano Alessandro; Benjamin A. Rellinger; Filipe O. Barroso; Matthew C. Tresch. 2018. Adaptation after vastus lateralis denervation in rats demonstrates neural regulation of joint stresses and strains. eLife. 7. https://doi.org/10.7554/eLife.38215.001.
    • Filipe O. Barroso; Diego Torricelli; Francisco Molina-Rueda; Isabel M. Alguacil-Diego; Roberto Cano-de-la-Cuerda; Cristina Santos; Juan C. Moreno; Juan C. Miangolarra-Page; Jose L. Pons. 2017. Combining muscle synergies and biomechanical analysis to assess gait in stroke patients. Journal of Biomechanics. 63, pp.98-103. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2017.08.006.
    • Cristiano Alessandro; Filipe O. Barroso; Matthew Tresch. 2016. Working hard to make a simple definition of synergies Comment on: «Hand synergies: Integration of robotics and neuroscience for understanding the control of biological and artificial hands» by Marco Santello et al. Physics of Life Reviews. 17, pp.24-26. https://doi.org/10.1016/j.plrev.2016.05.015.
    • Filipe O. Barroso; Diego Torricelli; Elisabeth Bravo-Esteban; Julian Taylor; Julio Gomez-Soriano; Cristina Santos; Juan C. Moreno; Jose L. Pons. 2016. Muscle synergies in cycling after incomplete spinal cord injury: correlation with clinical measures of motor function and spasticity. Frontiers in Human Neuroscience. 9-706. https://doi.org/10.3389/fnhum.2015.00706.
    • Filipe O. Barroso; Diego Torricelli; Juan C. Moreno; Julian Taylor; Julio Gomez-Soriano; Elisabeth Bravo-Esteban; Stefano Piazza; Cristina Santos; Jose L. Pons. 2014. Shared muscle synergies in human walking and cycling. Journal of Neurophysiology. 112-8, pp.1984-1998. https://doi.org/10.1152/jn.00220.2014.
    • Juan C. Moreno; Filipe O. Barroso; Dario Farina; Leonardo Gizzi; Cristina Santos; Marco Molinari; Jose L. Pons. 2013. Effects of robotic guidance on the coordination of locomotion. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 10-79. https://doi.org/10.1186/1743-0003-10-79.

    Contacto

    Dónde encontrarnos

    Laboratorio de Neuroingeniería

    Instituto Cajal CSIC. Avda. Doctor Arce, 37. 28002. Madrid

    Llámanos

    Teléfono:

    +34 915 854 709

    Escríbenos un mensaje

    Correo electrónico:

    Filipe Oliveira Barroso: filipe.barroso@cajal.csic.es

    Cristina Montero Pardo: cristinamontero@cajal.csic.es 

    Otros 

    Antiguos miembros del laboratorio

    • Alejandro Pascual Valdunciel (Investigador Predoctoral, 2019-2022).
    • Cintia Lopes Ferreira (Investigadora Predoctoral, 2019-2022).
    • Blanca Delgado Bonet (Estudiante JAE Intro Student, 2023).
    • Andrea Fresquet Monter (Estudiante de Grado, 2021-2022).
    • Cristina Montero Pardo (Estudiante de Grado, 2020-2021).
    • Carlota Trigo La Blanca (Estudiante de Grado, 2020-2021).
    • Daniel Marchan (Estudiante de Grado, 2019-2020).
    • Alejandra García Álvarez (Estudiante de Grado, 2019-2020).
    • Beatriz Adán Barrientos (Estudiante de Grado, 2019-2020).
    • Ana Sanmartin Domenech (Estudiante de Grado, 2018-2019).
    • Javier García Ordóñez (Estudiante de Grado, 2018-2019).

    Colaboraciones

      • Juan C. Moreno. Neural Rehabilitation Group, Cajal Institute, Spanish National Research Council (CSIC). Madrid, Spain.
      • Diego Torricelli. Neural Rehabilitation Group, Cajal Institute, Spanish National Research Council (CSIC). Madrid, Spain.
      • Alejandro Pascual Valdunciel. Department of Bioengineering, Imperial College London, London, UK.
      • Álvaro Gutiérrez. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Spain.
      • Francisco Javier Grandas Pérez. Hospital General Universitario Gregorio Marañón, Madrid, Spain.
      • Javier Ricardo Pérez Sánchez. Hospital General Universitario Gregorio Marañón, Madrid, Spain.
      • José L. Pons. Legs and Walking Lab, Shirley Ryan Ability Laboratory (Formerly Rehabilitation Institute of Chicago), Chicago, IL, USA.
      • Jaime Ibáñez Pereda. Universidad de Zaragoza, Zaragoza, Spain. 
      • Dario Farina. Department of Bioengineering, Imperial College London, London, UK.
      • Antoni Ivorra. Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain.
      • Laura Becerra-Fajardo. Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain.
      • Jesús Minguillón. Universidad de Granada, Granada, Spain.
      • Silvia Muceli. Chalmers University of Technology. Gothenburg, Sweden.
      • Paulo Roberto Garcia Lucareli. Universidade Nove de Julho (UNINOVE), São Paulo, Brazil.
      • Jozsef Laczko. University of Pecs, Pecs, Hungary.
      • Oscar Herreras. Experimental and computational electrophysiology, Cajal Institute, Spanish National Research Council (CSIC). Madrid, Spain.
      • Jesús Tornero. Center for Clinical Neuroscience – Hospital Los Madroños, Madrid, Spain.

      Patentes

        • Filipe André Oliveira Barroso; Alejandro Pascual Valdunciel; José Luis Pons; Dario Farina; Francisco Grandas. EP20382416.4. Control method for a neuroprosthetic device for the reduction of pathological tremors. U.S.A. patent based on International Application PCT/EP2021/063189. Nº of application: EP20382416.4. Date of register: 18/05/2020.

        Divulgación científica

          Centro de investigación en neurociencias dependiente del CSIC. Fundado en 1920 y dirigido en sus inicios por Santiago Ramón y Cajal. Referente mundial en el estudio del cerebro. Depositario del Legado Cajal.

          Actividades

          Últimas noticias

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