Introducción.

Ingeniería biomédica o bioingeniería es la disciplina encargada de conjuntar los mundos de la ingeniería con la medicina y fisiología para lograr avances en el conocimiento científico y el desarrollo de la tecnología en medicina y biología. Las actividades que eso incluye van desde la aplicación de métodos matemáticos, la ciencia experimental, el desarrollo tecnológico y de aplicaciones clínicas.

En los años de acelerado cambio tecnológico hay también cuestionamientos acerca de la ética de la aplicación de ciertas tecnologías como el desarrollo de vegetales transgénicos o el debate sobre los méritos de la energía nuclear, pero es indiscutible que la ingeniería biomédica tiene ventajas fundamentales sobre otros campos de la ciencia y la técnica y estas tienen que ver con el hecho de que el objetivo fundamental de esta disciplina es de mantener saludables a las personas de ayudar a su cuidado y recuperación cuando están enfermas.

Hay autores que indican que existe la ingeniería biomédica desde que se aplicaron remedios a problemas particulares del individuo como una prótesis del dedo gordo del pie que fue descubierta en una tumba egipcia con una antigüedad de más de 3000 años.

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Objetivo

Dar a conocer que es la bioingeniería así como sus aplicaciones, campos de acción en sus diferentes áreas, además de su situación en la actualidad, avances, desarrollos actuales y la proyección de esta hacia el futuro.

Todo esto de la manera más práctica y objetiva posible para que el lector pueda asimilarlo de una manera fluida.

Justificación.

Esta investigación fue desarrollada para que el lector tuviera los conocimientos básicos necesarios sobre la bioingeniería, es decir que tenga la noción del tema así como sus alcances y limitaciones que esta conlleva.

Por lo tanto en este escrito se abordaran los temas más relevantes sobre la bioingeniería así como sus definiciones tratando de explicar

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Antecedentes.

Hay autores que indican que existe la ingeniería biomédica desde que se aplicaron remedios a problemas particulares del individuo como una prótesis del dedo gordo del pie que fue descubierta en una tumba egipcia con una antigüedad de más de 3000 años. Otros autores mencionan a los dibujos anatómicos de Leonardo Da Vinci y sus

aproximaciones a brazos de palanca o los trabajos de Luigi Galvani y de Lord Kelvin sobre la conducción eléctrica en los seres vivos. No obstante, el desarrollo de la instrumentación eléctrica y electrónica produjo una explosión de resultados y se puede considerar como uno de los orígenes más cercanos de la ingeniería biomédica.

Esto se da principalmente entre los años de 1890 y 1930. Ejemplos de esto son los diseños para el registro de señales electrofisiológicas, comenzando por los registros de A.D. Waller en corazones de humanos (1887), el refinamiento de la técnica por parte de W. Einthoven al desarrollar un galvanómetro de cuerda (1901) y la aplicación de este al registro de señales electroencefalografías en humanos por Berger (1924). La instrumentación electrónica a partir de tubos de vacío se empleó por E. Lovett Garceau para amplificar estas señales eléctricas y el primer sistema de electroencefalógrafo comercial de tres canales fue construido por Alfred Grass en 1935. Otro ejemplo es el desarrollo de la instrumentación en imagenología. Desde el descubrimiento de los rayos-X por Röntgen en 1895 hasta su primera aplicación en biomedicina pasó una semana. Desde 1896, Siemens y General Electric ya vendían estos sistemas. En la actualidad, los nuevos desarrollos en imagenología han tomado mucho más tiempo en lograr su aplicación clínica. El principio de resonancia magnética se descubrió en 1946, pero no fue sino hasta 30 años después, que se pudo desarrollar un sistema para uso en humanos.

Antes de la segunda guerra mundial. El personal médico y los investigadores en el campo de la biología se valían de técnicas de ingeniería que fuesen relativamente sencillas y cayesen dentro de sus conocimientos. Por ejemplo, un fisiólogo investigador se hubiera sentido más satisfecho si para llenar las necesidades de su laboratorio hubiese podido contar con un soplador de vidrio, un carpintero y un mecánico a su disposición. Como los fundamentos del diseño de los instrumentos que necesitaba o encajaba bien dentro de sus conocimientos teóricos y prácticos, hubiera podido especificar con toda claridad lo que quería, y ese equipo de obreros especializados lo hubieran construido de acuerdo con su diseño.

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Fue un accidente histórico lo que hizo que por vez primera en Gran Bretaña un gran número de biólogos adquiriesen sólidos fundamentos en el campo de la electrónica, abriendo de este modo rápidamente la posibilidad de aplicar técnicas más elaboradas en la resolución de los problemas biológicos y médicos. Al estallar la segunda guerra mundial, los químicos, físicos e ingenieros fueron rápidamente acaparados por aquellos que eran responsables de la fabricación de municiones, de aviones, etc. Para cuando se hizo evidente que en el campo del radar hacía falta trabajar mucho para lograr desarrollarlo, resultó que los biólogos eran casi los únicos científicos que quedaban disponibles para hacer este trabajo.

En los años inmediatos de la posguerra muchos biólogos estaban, por tanto, bien impuestos en lo que constituían los últimos adelantos en el campo de la electrónica. Naturalmente, ellos los enfocaron hacía ciertos temas especializados. Pero la tecnología electrónica progresó muy rápidamente y los biólogos, que se habían familiarizado antaño con el manejo de válvulas y grandes componentes, pronto se vieron a la zaga en una nueva era de transistores y componentes en miniatura, y como los conocimientos de los antiguos investigadores quedaron anticuados, empezó a surgir una nueva generación de médicos y biólogos, sin ninguna práctica en el campo de la electrónica.

Los investigadores dentro del campo de la biología y la medicina vieron claramente que ganarían una incalculable cantidad de tiempo no sólo si se familiarizaban con los adelantos técnicos existentes, sino también se iban dando pasos a los nuevos que fuesen llegando. Entonces surgió la necesidad de un nuevo tipo de persona que hiciese de puente sobre el hueco que separaba a la elaborada tecnología de la ingeniería de las ciencias biológicas. En pocas palabras, surgió la necesidad de los bioingenieros.

Fueron distintas instituciones las que por diferentes caminos vieron patente esta necesidad. Algunas empezaron a reclutar técnicos, que habían de trabajar ciñéndose casi exclusivamente al desarrollo de los instrumentos y que, al menos en principio, no tenían la categoría de investigadores. Otras instituciones fueron más rápidas en darse cuenta que la importancia de este asunto y contrataron a personal graduado, equiparándole con sus compañeros médicos y biólogos.

En este estado de cosas no había sido reconocida todavía la carrera de Bioingeniería, e incluso no se había acuñado la palabra correspondiente. ¿Quiénes fueron, por tanto, los primeros bioingenieros en una época en la que todavía no existía un método adecuado para la formación de estas personas?

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La mayoría de ellos fueron científicos del campo de las ciencias biológicas, con frecuencia médicos, los cuales se dedicaban a la ingeniería como entretenimiento a tenían un especial talento para ello. Esto no es sorprendente si uno piensa que es casi una tradición el que los médicos y cirujanos sean ingenieros aficionados.

En realidad, lo que hoy llamamos Ingeniería Biomédica se llamó al principio Electrónica Médica, y la asociación internacional constituida por los que practicaban esta actividad se conoció como “International Federation of Medical Electronics” (Federación Internacional de Electrónica Médica).

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Definición.

¿Qué es la bioingeniería?

La Bioingeniería, también conocida como ingeniería biomédica, es un campo multidisciplinario que ataca problemas de biología y de medicina con las herramientas y los métodos que se usan en varias áreas de ingeniería. Esta nueva disciplina promete un importante avance en la solución de los problemas médicos y biológicos al enfocar sus soluciones mediante técnicas que han tenido un éxito probado en las ingenierías, con un claro beneficio en el diagnóstico, la prevención y el tratamiento de varias enfermedades que aquejan a los seres humanos.

Como ejemplos de las áreas de estudio que comprende la bioingeniería podemos citar las siguientes: electrónica biomédica, bioinstrumentación, biomecánica, biomateriales, biomecatrónica, ingeniería clínica, imagenología médica, bioingeniería ortopédica, ingeniería rehabilitatoria, bionanotecnología, biosensores, ingeniería biónica, ingeniería genética e ingeniería neuronal, ingeniería biomédica; ingeniería hospitalaria; biomecánica; bioóptica; biosensores; ingeniería clínica y de rehabilitación; órganos artificiales; procesamiento de señales biológicas; telemedicina; y todo lo que concierne a la tecnología médica entre otras. Como es común en las nuevas disciplinas que surgen de la unión de otras, el beneficio es en ambas direcciones. Por ejemplo la biónica, que etimológicamente viene del griego "BIOS"; que significa vida y el sufijo "ICO" que significa "relativo a" es la aplicación de soluciones que se han dado en sistemas biológicos a la arquitectura, ingeniería y tecnología modernas.

La Bioingeniería es una de las disciplinas más jóvenes de la ingeniería en la que los principios y herramientas de la ingeniería, ciencia y tecnología se aplican a los problemas presentados en estas áreas de conocimiento como son la biología y la medicina.

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Áreas de la bioingeniería.

La ingeniería biomédica es ampliamente reconocida como un campo multidisciplinar, resultado de un largo espectro de disciplinas que la influyen desde diversos campos y fuentes de información. Debido a su extrema diversidad, no es extraño que la bioingeniería se centre en un aspecto en particular. Existen muy diversos desgloses de disciplinas para esta ingeniería, a menudo se desgrana en:

Biomagnétismo y técnicas cerebrales Creación de imágenes y óptica biomédicas biomateriales Biomecánica y Biotransporte Instrumentación médica Ingeniería molecular y celular Biología de sistemas

En otros casos, las disciplinas dentro de la bioingeniería se dividen en la cercanía con otros campos de la ingeniería más arraigados, los cuales suelen incluir:

Ingeniería química - a menudo asociada con la ingeniería bioquímica, celular, molecular, nuevos materiales y tejidos, etc.

Ingeniería clínica- a menudo asociada con la ingeniería médica o la ingeniería hospitalaria, administración y mantenimiento de equipos médicos en una clínica u hospital.

Ingeniería electrónica - a menudo asociada con la bioelectricidad, bioinstrumentación, creación de imágenes, e instrumentación médica.

Ingeniería mecánica - a menudo asociada con la biomecánica, biotransporte y con el modelado de sistemas biológicos.

Óptica e ingeniería óptica - óptica médica, imagen e instrumentación.

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Definición concreta de las áreas de conocimiento.

Biomagnétismo.

Es un término polisémico que asocia el magnetismo con los seres vivos. En la bibliografía se utiliza tanto para referir efectos físico-biológicos con metodología científica convencional, dentro de la disciplina genérica denominada bioelectromagnetismo, como para referirse a todo tipo de mitificaciones pseudocientíficas.

Teoría

La teoría se basa en que los campos magnéticos son capaces de alterar el pH, según los estudios de diversos investigadores (Albert Roy Davis y Walter C. Rawls,Principles of Magnetic Teraphy, los

descubridores de la polaridad dual en los magnetos norte, sur con efectos totalmente distintos en los sistemas vivientes).

Plantea la existencia en el cuerpo de puntos específicos que van hermanados y que presentarían "polaridades magnéticas contrarias", tal como Norte y Sur como en un imán común y corriente. La ubicación de estos pares biomagnéticos estarían ya definidos en una especie de mapa del cuerpo creado por las investigaciones de Goiz, que dice haber detectado unos 250 pares. Según tal teoría, cuando uno de estos pares se desequilibra, en uno de los polos se concentran focos de determinados virus en un ambiente de pH ligeramente más ácido, mientras que en el otro polo se ubican ciertas bacterias, en un medio de pH algo más alcalino que en el resto de los tejidos.

Críticas

No todas las enfermedades son producidas por microorganismos. La pretensión que se originan en problemas de acidez o de desequilibrios magnéticos no ha sido demostrada.

Variando un poco el pH no significa eliminar todos los patógenos ya que estos ya pueden vivir a pH ácidos y básicos.

Sí bien se plantea en algunas web que existen publicaciones serias, ejemplo, "la tesis completa ha sido publicada por la Universidad de Chapingo,con un área de investigación" no tiene la información abierta al público.

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Creación de imágenes y óptica biomédica.

Científicos, médicos e ingenieros de todo el mundo trabajan para desarrollar la próxima generación de dispositivos que permitirán a los médicos y a los investigadores del área de medicina, comprender, detectar y tratar enfermedades propias de los seres humanos de forma indolora y no invasiva. A este campo aun en desarrollo se le conoce como óptica biomédica.

En la actualidad ya se cuenta con ciertos dispositivos que cumplen con estas funciones, un ejemplo claro de esto son los termómetros

infrarrojos que como su nombre lo dice funciona a través de radiación infrarroja.

La radiación infrarroja es una parte de la luz solar y puede descomponerse reflejándose a través de un prisma. Esta radiación posee energía. A principios del siglo XX, los científicos Planck, Stefan, Boltz- mann, Wien y Kirchhoff definían las actividades del espectro electromagnético y establecían equipa- raciones para describir la energía infrarroja.

Esto hace posible definir la energía en relación con curvas de emisión de un cuerpo negro. Los objetos con una temperatura por encima del punto cero absoluto irradian energía. La cantidad de energía crece de manera proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

Este concepto es el principio básico de la medición de la temperatura por medio de infrarrojos. Con el factor de emisión se introduce una variable en esta regularidad. El factor de emisión es una medida para la relación de las radiaciones que emiten un cuerpo gris y un cuerpo negro a igual temperatura. Un cuerpo gris es un objeto que tiene el mismo factor de emisión en todas las longitudes de onda. Un cuerpo no gris es un objeto cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, por ejemplo el aluminio. Como norma general se considera que el factor de emisión es igual al factor de absorción.

Los termómetros infrarrojos se fabrican con muchas configuraciones, diferenciándose por sus componentes óptico o electrónico en cuyo comienzo se encuentra una señal IR y en cuyo final hay una señal de salida electrónica. Esta cadena de medición genérica comienza con un sistema óptico de lentes y / o conductores de ondas de luz, filtros y el detector.

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Biomateriales.

Los biomateriales son materiales farmacológicamente inertes, utilizados para ser incorporados o implantados dentro de un organismo vivo para reemplazar o restaurar alguna función permaneciendo en contacto permanente o intermitente con fluidos corporales. Desde la antigüedad el hombre ha experimentado con cierto tipo de implantes como el oro, la madera o el vidrio para mejorar la visión, en odontología fue muy popular el reemplazo de piezas dentales y

colocándoles trozos de oro o reemplazándoles completamente. En la actualidad vemos toda una explosión de implantes debido al descubrimiento de nuevos materiales inertes que permiten reemplazar partes del organismo que se han visto afectados en un accidente o enfermedad o por la estética ya que se desea que determinadas partes del cuerpo tengan un contorno diferente. Veamos entonces algunas características de estos materiales y lo que la medicina y la industria están usando con ellos.

Los biomateriales se pueden definir como materiales biológicos comunes tales como piel, madera, o cualquier elemento que remplace la función de los tejidos o de los órganos vivos. En otros términos, un biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte diseñada para ser implantada o incorporada dentro del sistema vivo.

Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones, lo que implica que están expuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo, aunque en realidad pueden estar localizados fuera del propio cuerpo, incluyéndose en esta categoría a la mayor parte de los materiales dentales que tradicionalmente han sido tratados por separado.

Debido a que los biomateriales restauran funciones de tejidos vivos y órganos en el cuerpo, es esencial entender las relaciones existentes entre las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biológicos, por lo que son estudiados bajo tres aspectos fundamentales: materiales biológicos, materiales de implante y la interacción existente entre ellos dentro del cuerpo. Dispositivos como miembros artificiales, amplificadores de sonido para el oído y prótesis faciales externas, no son considerados como implantes.

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¿Qué son los biomateriales, cuál es su utilización actual y su futuro? 

El uso odontológico de la madera, plata y el oro o el del vidrio para mejorar la visión se remonta en algunos casos a hace más de dos milenios. Sin embargo, la eclosión tuvo lugar cuando a finales del siglo XIX se descubrieron los polímeros sintéticos como el PMMA (polimetilmetacrilato) usado por los dentistas desde 1930, el acetato de celulosa utilizado en los tubos de diálisis desde 1940, el dacron para injertos vasculares o el polieteruretano empleado en los cinturones femeninos, útil como material cardiaco.

Es inmediato que debido a la finalidad de su utilización los principales problemas de los biomateriales guardan relación con su biocompatibilidad, propiedades mecánicas y adaptabilidad. Los progresos actuales en la ciencia de los materiales están posibilitando la mejora de las utilizaciones clásicas de los biomateriales así como el diseño de nuevas y prometedoras aplicaciones. En general, se podrían señalar tres situaciones diferentes: el pasado, con el énfasis en la eliminación de tejidos; el presente, con el objetivo principal de la sustitución de tejidos; y el futuro, con el fascinante tema de la regeneración de tejidos.

 

Los biomateriales tienen un campo de aplicación muy amplio que se extiende desde dispositivos de uso masivo y cotidiano en centros de salud como es el caso de jeringas, vendajes, catéteres, bolsas para suero y sangre, y recipientes para residuos -hasta sofisticadas piezas que se emplean para promover la regeneración de tejidos o para reemplazar órganos

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Veamos algunos ejemplos en donde se pueden aplicar estos biomateriales:

LOCALIZACIÓN DISPOSITIVO ETIOLOGÍA MATERIALES

Ojo

Lente intraocularLentes de contactoVendaje corneal

Lente intraocularLentes de contactoVendaje corneal

Lente intraocularLentes de contactoVendaje corneal

Nariz Rinoplastia Nariz congénita en silla Silicona

Barbilla Prótesis de barbilla Barbilla recesiva Silicona

Boca Prótesis mandibular Traumatismo, anquilosis ProplastTM

Cara Prótesis facial Traumatismo Acrílico, PVC, poliuretanos

Corazón y sistema vascular Marcapasos cardiaco Arritmía, bloqueo cardíaco Epoxi, Sil, PTFE, A.Inox, Ti

Prótesis valvulares Enfermedades valvularesCarbón pirolítico, Ti, PFTE, silicona, tejido reprocesado

Bombas intra-aórticasPacientes con necesidad de asistencia cardíaca

Poliuretanos segmentados, copolímeros uretano-silicona

Oxigenadores sanguíneos Cirugía a corazón abiertoPolicarbonato (PC), cauchos de silicona, poliacetales

Almacenado de sangre y sistemas de liberación

Traumatismo, cirugía, enfermedades Vinilos, poliacetales

Prótesis arteriales Arteriosclerosis, aneurismas Tejido de poliéster o PTFE

Suturas biodegradables Traumatismo o enfermedadPoliuretanos (PU), polilactidas

Sistema digestivoSegmentos gastroinstestinales Traumatismo o enfermedad

Silicona, PVC, nylon, poliacrilatos

Segmentos de esófago Traumatismo o enfermedad PE, polipropileno (PP), PVC

Esqueleto Placa craneal Traumatismo Acrílico, Ti (malla)

Articulaciones de rodilla, dedos y otras Artritis, traumatismo

Compuestos PE-fibra de carbono, PU, silicona

Reparación de huesos Hidroxiapatita, acrílico

Tendones artificiales Tendonitis, traumatismo Silicona, poliéster

Músculo artifical pasivo Atrofía muscular Silicona, poléster

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En la actualidad, en el mundo de los biomateriales se formulan tres importantes cuestiones:

- ¿Qué calidad de vida proporcionarán?

 - ¿Cuánto durarán? 

- ¿Cuál es su precio? 

Las respuestas no son en ningún caso satisfactorias al cien por cien; sin embargo, sí son positivas en líneas generales para un elevado número de pacientes. Para llegar, o al menos aproximarse a ese cien por cien deseado, hay todavía mucho trabajo por hacer, desde los campos investigador, médico, técnico e industrial. 

A los biomateriales, materiales implantables intracorporalmente, se les exige que lleven a cabo una función adecuada y no ocasionen ningún daño al organismo. Entre sus características es imprescindible que sean biocompatibles, esto es, biológicamente aceptable.

Factores decisivos a la hora de evaluarlos son su biocompatibilidad y su duración, ya que estos materiales tienen que permanecer en contacto con los tejidos vivos, por lo que es imprescindible que posean una buena compatibilidad, es decir, que no se produzcan reacciones no deseadas en la interfaz tejido-material, y que mantengan sus prestaciones durante el tiempo que tengan que estar en servicio.

Biomecánica.

La biomecánica es un área de cono-cimiento interdisciplinaria que estudia los modelos, fenómenos y leyes que sean relevantes en el movimiento y al equilibrio (incluyendo el estático) de los seres vivos. Es una disciplina científica que tiene

por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos fundamentalmente del cuerpo humano.

Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el

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comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido.

La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos.

Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de palo, a las sofisticadas ortopedias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardiacas a los modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis.

Hoy en día es posible aplicar con éxito, en los procesos que intervienen en la regulación de los sistemas modelos matemáticos que permiten simular fenómenos muy complejos en potentes ordenadores, con el control de un gran número de parámetros o con la repetición de su comportamiento.

La biomecánica se estableció como disciplina reconocida y como área de investigación autónoma en la segunda mitad del siglo XX en gran parte gracias a los trabajos de Y. C. Fung cuyas investigaciones a lo largo de cuatro décadas marcaron en gran parte los temas de interés en cada momento de esta disciplina.

Circulación sanguínea

Históricamente uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico moderno, resultó de intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la comprensión del riego sanguíneo. Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible, esta modelización falla cuando se considera el flujo sanguíneo en las arteriolas o capilares. A la escala de esas conducciones, los efectos del tamaño finito de las células sanguíneas o eritrocitos individuales son significativos, y la sangre no puede ser modelada como un medio continuo. Más concretamente, cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del erotrocito, entonces aparece el efecto Fahraeus–Lindquist y existe una disminución en la tensión tangente al vaso. Así a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye, los glóbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente sólo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto Fahraeus–Lindquist inverso y la tensión tangencial del vaso se incrementa.

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Huesos

Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos.

Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisotropas, más exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son transversalmente isótropos, no

son globalmente isótropos. Las relaciones de tensión-deformación en los huesos pueden ser modeladas usando una generalización de la ley de Hooke, para materiales ortotrópicos:

Dónde. , existiendo sólo cinco constantes independientes que son función de:

, los módulos de Young en dirección longitudinal y transversal.

, los dos coeficientes de Poisson.

, el módulo de elasticidad transversal.

Tejido muscular

Existen tres tipos de músculo:

Músculo liso (no estriado): El estómago, el sistema vascular, y la mayor parte del tracto digestivo están formados por músculo liso. Este tipo de músculo se mueve involuntariamente.

Músculo miocardíaco (estriado): Los cardiomiocitos son un tipo altamente especializado de célula. Estas células se contraen involuntariamente y están situadas en la pared del corazón, actúan conjuntamente para producir latidos sincronizados.

Músculo esquelético (estriado): Es un músculo que desarrolla un esfuerzo sostenido y generalmente voluntario. Un modelo ampliamente usado para este tipo de músculo, es la ecuación de Hill que puede simular adecuadamente el tétanos:

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Donde:

, es la tensión o cargas del músculo.

, la velocidad de contracción.

, es la máxima carga o tensión que se puede producir en el músculo.

, son dos constantes que caracterizan el músculo.

Esta ecuación puede describirse en términos de la tensión y la velocidad de deformación como:

Tejidos blandos

Durante la década de 1970, varios investigadores que trabajaban en biomecánica iniciaron un programa de caracterización de las propiedades mecánicas de los tejidos blandos, buscando ecuaciones constitutivas fenomenológicas para su comportamiento mecánico.

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Los primeros trabajos se concentraron en tejidos blandos como los tendones, los ligamentos y el cartílago son combinaciones de una matriz de proteínas y un fluido. En cada uno de estos tejidos el principal elemento importante es el colágeno, aunque la cantidad y la calidad del colágeno varían de acuerdo con la función que cada tejido realiza:

La función de los tendones es conectar el músculo con el hueso y está sujeto a cargas de tracción. Los tendones deben ser fuertes para facilitar el movimiento del cuerpo, pero al mismo tiempo ser flexibles para prevenir el daño a los tejidos musculares.

Los ligamentos conectan los huesos entre sí, y por tanto son más rígidos que los tendones.

El cartílago, por otro lado, está solicitado primariamente con compresión y actúa como almohadillado en las articulaciones para distribuir las cargas entre los huesos. La capacidad resistente del cartílago en compresión se deriva principalmente del colágeno, como en tendones y ligamentos, aunque en este tejido el colágeno tiene una configuración anudada, soportada por uniones de cruce de glucosaminoglicanos que también permiten alojar agua para crear un tejido prácticamente incompresible capaz de soportar esfuerzos de compresión adecuadamente.

Más recientemente, se han desarrollado modelos biomecánicos para otros tejidos blandos como la piel y los órganos internos. Este interés ha sido promovido por la necesidad de realismo en las simulaciones de interés médico.

Subdisciplinas.

La Biomecánica está presente en diversos ámbitos, aunque tres de ellos son los más destacados en la actualidad:

La biomecánica médica, evalúa las patologías que aquejan al hombre para generar soluciones capaces de evaluarlas, repararlas o paliarlas.

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La biomecánica deportiva, analiza la práctica deportiva para mejorar su rendimiento, desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento de altas prestaciones. El objetivo general de la investigación biomecánica deportiva es desarrollar una comprensión detallada de los deportes mecánicos específicos y sus variables de desempeño para mejorar el rendimiento y reducir la incidencia de lesiones. Esto se traduce en la investigación de las técnicas específicas del deporte, diseñar mejor el equipo deportivo, vestuario, y de identificar las prácticas que predisponen a una lesión. Dada la creciente complejidad de la formación y el desempeño en todos los niveles del deporte de competencia, no es de extrañar que los atletas y entrenadores estén recurriendo en la literatura de investigación sobre la biomecánica aspectos de su deporte para una ventaja competitiva.

La biomecánica ocupacional, estudia la interacción del cuerpo humano con los elementos con que se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la conducción de automóviles, en el manejo de herramientas, etc.) para adaptarlos a sus necesidades y capacidades. En este ámbito se relaciona con otra disciplina como es la ergonomía. Últimamente se ha hecho popular y se ha adoptado la Biomecánica ocupacional que proporciona las bases y las herramientas para reunir y evaluar los procesos biomecánicos en lo que se refiera a la actual evolución de las industrias, con énfasis en la mejora de la eficiencia general de

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trabajo y la prevención de lesiones relacionadas con el trabajo, esta está íntimamente relacionada con la ingeniería médica y de información de diversas fuentes y ofrece un tratamiento coherente de los principios que subyacen a la biomecánica bien diseñada y ergonomía de trabajo que es ciencia que se encarga de adaptar el cuerpo humano a las tareas y las herramientas de trabajo.

Metodología.

Muchos de los conocimientos generados por la biomecánica se basan en lo que se conoce como modelos biomecánicos. Estos modelos permiten realizar predicciones sobre el comportamiento, resistencia, fatiga y otros aspectos de diferentes partes del cuerpo cuando están sometidos a unas condiciones determinadas. Los estudios biomecánicos se sirven de distintas técnicas para lograr sus objetivos. Algunas de las más usuales son:

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Análisis de fotogrametría. Análisis de movimientos en 3D basado en tecnología de vídeo digital. Una vez procesadas las imágenes capturadas, la aplicación proporciona información acerca del movimiento tridimensional de las personas o de los objetos en el espacio.

Análisis de comportamiento tensión-deformación directo. Este tipo de análisis se ocupa de determinar la "resistencia" de un material biológico ante la ejecución de una fuerza que actúa sobre este. Estas fuerzas, en sentido general, pueden ser de tipo compresivo o bien de tipo tracción y generarán en la estructura dos cambios fundamentales.

Biomecánica computacional. Se refiere a las simulaciones computarizadas de sistemas biomecánicos, tanto para poner a prueba modelos teóricos y refinarlos, como para las aplicaciones técnicas.

Cambios en la tensión

Nos referimos como tensión mecánica a al esfuerzo interno por unidad de área que experimenta el material frente a la aplicación de la fuerza, cualquiera sea ésta y que corresponde a los fenómenos descritos por la Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción). De acuerdo con este principio, la aplicación de un nivel determinado de deformación sobre un material flexible generará una tensión más pequeña que en otro material más rígido, que bajo la misma deformación experimentará una mayor tensión. La relación entre el esfuerzo aplicado y las deformaciones experimentadas, recibe el nombre de rigidez, y depende del tipo de esfuerzo que sea (de compresión, de flexión, torsional, etc.).

Cambios en la forma

Cuando se somete a un objeto cualquiera a la aplicación de una fuerza, en algún momento experimentará una deformación observable. Para los objetos más bien elásticos, dicha deformación se alcanza con aplicaciones de fuerza de baja magnitud, mientras que los materiales rígidos requieren de aplicación de magnitudes de fuerza de mayor consideración. La gráfica asociada al estudio de este fenómeno se conoce con el nombre de Curva Tensión Deformación de cuyo estudio es posible inferir el comportamiento del material. Un punto aparte en esta consideración lo representan los materiales viscoelásticos. Dichos materiales se caracterizan por presentar un comportamiento diferente en el tiempo a pesar de que las condiciones de carga o deformación a las que se les somete permanezcan constantes. Esto quiere decir, por ejemplo, que si el material es sometido a una carga constante, la deformación del material inicialmente ocurre a una cierta velocidad y que con el paso del tiempo de carga mantenida, dicha deformación tiende a ser constante (no experimentar variaciones). Un ejemplo clásico de material viscoelástico lo constituye el cartílago articular que cubre las superficies óseas.

Biomecánica computacional

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La biomecánica computacional se refiere a la simulación mediante ordenadores de sistemas biomecánicos complejos. Usualmente se usan tanto modelos de sólidos para simular comportamientos cinemáticos, como modelos de elementos finitos para simular propiedades de deformación y resistencia de los tejidos y elementos biológicos. El tipo de análisis requerido en general es en régimen de grandes deformaciones, por lo que en general los modelos materiales usan relaciones no-lineales entre tensiones y deformaciones.

Los tejidos blandos presentan comportamientos viscoelásticos: gran capacidad disipación de energía, histéresis, relajación de tensiones, pre-condicionado y "creep". Por lo que generalmente las ecuaciones constitutivas adecuadas para modelarlos son de tipo viscoelástico e involucran tanto a tensiones y deformaciones, como a velocidades de deformación. Algunos tejidos blandos incluso pueden ser pre-condicionados sometiéndolos a cargas cíclicas, hasta el punto que las curvas de tensión-deformación para los tramos de carga y descarga pueden llegar a prácticamente solaparse. El modelo más comúnmente usado para modelar la viscoelasticidad de los tejidos blandos es la teoría de la viscoelasticidad cuasilineal (QLV).

Relación entre la tecnología y la biomecánica.

La tecnología biomecánica se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los resultados encontrados a partir de la investigación biomecánica, como a los instrumentos y técnicas usados en la investigación y adquisición de nuevos conocimientos en el ámbito de la biomecánica.

Órganos artificiales

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Son dispositivos y tejidos creados para sustituir partes del organismo dañadas o que funcionan de forma incorrecta. El análisis de un órgano artificial, debe considerarse en la construcción de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares características para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo. Además de las características físicas y químicas de resistencia mecánica, se necesita fiabilidad, duración y compatibilidad en un ambiente biológico que siempre tiene una elevada agresividad.

“El mayor problema que se plantea la construcción de una prótesis se refiere a la relación entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones químicas de superficie y micro estructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial, el material implantado.

Prótesis

La sustitución de órganos por otros artificiales, constituye la frontera avanzada de la ingeniería biónica. Dejando aparte las prótesis ortopédicas

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cuyo empleo ha tenido un enorme desarrollo gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas de cálculo, así como a los avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplía la gama de posibilidades de sustitución de órganos conocidos y menos conocido, lo cual resulta de gran ayuda para pacientes y médicos un ejemplo de esto es la fabricación de bombas de insulina para emplear en personas diabéticas.

Electromiografía: análisis de la actividad eléctrica de los músculos. Plantillas instrumentadas: registro de las presiones ejercidas por el pie

durante la marcha. Baropodometro electrónico: Pasillo instrumentado con sensores de presión

que registran las presiones plantares durante diferentes gestos de locomoción (marcha, trote, carrera, etc.).

Plataformas de fuerza: plataformas dinamométricas diseñadas para registrar y analizar las fuerzas de acción-reacción y momentos realizados por una persona durante la realización de una actividad determinada.

Estudia las propiedades mecánicas, cinéticas y cinemáticas de los organismos, tomando en cuenta sus características morfo-funcionales.

Sensores

Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la intensidad del fenómeno.

Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema, son dispositivos que permiten detectar los fenómenos físicos

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y químicos, ofreciendo seriales de salida proporcionales a la intensidad de las entradas. Las señales de entrada de muy diversos tipos y convertidas en la mayoría de los casos en magnitudes eléctricas (ejemplo, variaciones de presión y variaciones de resistencia eléctrica) corresponden a variaciones de temperatura, de deformación muscular en los esfuerzos, de presión venosa o arterial, etc.

Los sensores pueden ser electrodos directos capaces de captar las señales procedentes de actividades celulares, o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias químicas.

Estimuladores

Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos órganos o funciones que, aun estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central; según Claude Ville: “Una función extremadamente delicada ,es la que se lleva a cabo para estimular el músculo cardíaco a través de un aparato marca pasos, que permite regular los latidos cardíacos al proporcionar desde el

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exterior impulsos de corriente y que resulta vital en algunos casos de arritmias cardíacas.”

El marca pasos consta de una batería, un generador y un modulador de impulsos eléctricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido cardíaco. Existen muy diversos tipos de marca pasos (en la actualidad se cuenta con más de 200 tipos diferentes) Los impulsos eléctricos generados por el aparato pueden ser se frecuencia fija, es decir producidos a una frecuencia predeterminada, sin ninguna relación con la actividad del corazón, pero en la actualidad se emplean más los marcapasos a demanda, o sea, mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el ritmo cardíaco normal.

Biotransporte

Esta área es la encargada de buscar medios de transporte que no dañen a nuestro medio ambiente pero sin sacrificar el rendimiento, esta rama de la ingeniería ha tenido gran auge en nuestros tiempos ya que la concientización de la sociedad va en aumento y buscan medios de transporte eficaces pero ecológicos ante esta naciente necesidad se han llevado a cabo varios avances como por ejemplo:

Trenes eléctricos: radica en la adherencia que tiene una rueda de hierro resbalando sobre un carril también de hierro. Que el riel y bogie (Carro giratorio que soporta la caja de un vehículo) sean de hierro, un material conductor, es la clave que el tren pueda ser eléctrico, y por lo tanto, beneficiarse de las ventajas de los motores eléctricos.

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El elemento que aporta la energía a un tren eléctrico es la catenaria o cable donde introduce la corriente eléctrica. La catenaria hace de polo positivo mientras que el riel hace el polo negativo permitiendo así cerrar el circuito. Ya hemos comentado que la corriente que circula por la catenaria de la gran mayoría de redes ferroviarias es continua y que por eso se ha de transformar previamente en las llamadas subestaciones a donde llega en alta tensión alterna.

El motor eléctrico, en esencia, se compone del estator o parte fija, que no es otra cosa que una bobina de cable conductor que crea un campo magnético que permite hacer girar una parte móvil o rotor el cual se le engarzan los diferentes engranajes que permiten hacer girar las ruedas. La energía llega a través del pantógrafo que garantiza el contacto permanente con el cable de la catenaria. El rendimiento energético del motor eléctrico que es el producto de los diferentes elementos (alternador, motor de tracción y transmisión) es de un 80 % (sólo un 20 % se pierde en calor) mientras que con un motor diesel no supera el 40 %.

Trenes de levitación magnética: El transporte de levitación magnética, o maglev, es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética.

Este método tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte colectivo sobre ruedas convencionales. La tecnología de levitación magnética tiene el potencial de superar 6.400 km/h (4.000 mph) si se realiza en un túnel al vacío. Cuando no se utiliza un túnel al vacío, la energía necesaria para la levitación no suele representar una gran parte de la necesaria, ya que la mayoría de la energía necesaria se emplea para superar la resistencia del aire, al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.

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Vehículos híbridos: Un vehículo híbrido es un vehículo de propulsión alternativa combinando un motor movido por energía eléctrica proveniente de baterías y un motor de combustión interna. Una de las grandes ventajas de los híbridos es que permiten aprovechar un 30% de la energía que generan, mientras que un vehículo convencional de gasolina tan sólo utiliza un 10%. Esta mejora de la eficiencia se consigue mediante las baterías, que almacenan energía que en los sistemas convencionales de propulsión se pierde, como la energía cinética, que se escapa en forma de calor al frenar. Muchos sistemas híbridos permiten recoger y reutilizar esta energía convirtiéndola en energía eléctrica gracias a los llamados frenos regenerativos. El motor híbrido junto con el diesel o gasolina son una importante opción a tener en cuenta a la hora de comprar un coche. La eficiencia consiste en que duran más, son más limpios o, al menos, menos sucios.

La combinación de un motor de combustión operando siempre a su máxima eficiencia, y la recuperación de energía del frenado (útil especialmente en los tramos cortos), hace que estos vehículos alcancen un mejor rendimiento que los vehículos convencionales o de determinada época, especialmente en carreteras muy transitadas, donde se concentra la mayor parte del tráfico, de forma que se reducen significativamente tanto el consumo de combustible como las emisiones contaminantes. Todos los vehículos eléctricos utilizan baterías cargadas por una fuente externa, lo que les ocasiona problemas de autonomía de funcionamiento sin recargarlas. Sin embargo, los vehículos híbridos cargan las baterías con el motor de combustión y con la recuperación de energía durante el frenado.

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Vehículos eléctricos: Un vehículo eléctrico es un vehículo de combustible alternativo impulsado por uno o más motores eléctricos. La tracción puede ser proporcionada por ruedas o hélices impulsadas por motores rotativos, o en otros casos utilizar otro tipo de motores no rotativos, como los motores lineales, los motores inerciales, o aplicaciones del magnetismo como fuente de propulsión, como es el caso de los trenes de levitación magnética.

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Vehículo solar: es un vehículo propulsado por un motor eléctrico alimentado por energía solar fotovoltaica obtenida de paneles solares en la superficie del automóvil, lo que los diferencia de los vehículos de carga solar, en los que se emplea electricidad renovable que obtenida fuera del vehículo. Las celdas fotovoltaicas convierten la energía del sol directamente a electricidad, que puede o bien ser almacenada en baterías eléctricas o utilizadas directamente por el motor.

A diferencia de los vehículos de carga solar, los automóviles solares no son actualmente una forma de transporte práctica. Aunque pueden operar por distancias limitadas sin el sol, las celdas son generalmente muy frágiles. Además, los equipos de desarrollo han enfocado sus esfuerzos hacia la optimización de la funcionalidad del vehículo, preocupándose poco por la comodidad del pasajero. La mayoría de automóviles solares sólo tienen espacio para una o dos personas.

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Instrumentación médica.

La instrumentación medica es la encargada de proporcionar a los doctores el material médico necesario para el estudio, diagnóstico y tratamiento de las enfermedades, desde el bate lenguas (o palo de madrea), hasta los más sofisticados instrumentos como lo son los aparatos de resonancias magnéticas o el mismo robot cirujano con que cual contamos en estos días haciendo más preciso el tratamiento de las enfermedades así como una rehabilitación en menos tiempo lo cual permite al paciente incorporarse a sus actividades diarias de una manera más pronta. Entre los instrumentos médicos se cuenta con lo siguiente:

La aguja Hipodérmica: es un producto sanitario formado por una aguja hueca normalmente utilizada con una jeringa para inyectar sustancias en el cuerpo. También pueden ser utilizados para tomar muestras de líquidos y tejidos del cuerpo, por ejemplo tomando sangre de una vena en la venopunción. Son principalmente de acero inoxidable.

Jeringas auto-inyectables: Un auto-inyector es un aparato médico en forma similar a un lápiz con una jeringa y aguja hipodérmica usado para administrar una dosis medida usando la tecnología de auto-inyectores. La mayor incidencia de su uso es para el tratamiento de reacción alérgica aguda para evitar o detener el shock anafiláctico. 

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El escalpelo o bisturí, también llamado lanceta o cuchillo de cirujano, es un instrumento en forma de cuchillo pequeño, de hoja fina, puntiaguda, de uno o dos cortes, que se usa en procedimientos de cirugía, disecciones anatómicas, autopsias y vivisecciones. 

También es un instrumento muy usado en artesanía, manualidades y en general en aquellas actividades o artes en que se requieren cortes finos y precisos. 

Algunos consideran que el término bisturí se refiere específicamente al instrumento cuya hoja es removible e intercambiable o retráctil respecto al mango y que escalpelo es aquel con la hoja fija o con la parte cortante haciendo cuerpo con el mango. El término escalpelo viene del latín scalpere que se refiere a cortar o incidir. 

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Desfibrilador: La desfibrilación y la cardioversión eléctrica (chokus electron) consisten en sendos tipos de terapia que mediante la aplicación de un choque eléctrico de corriente continua consigue revertir distintos trastornos del ritmo cardíaco. Su alta eficacia, facilidad de aplicación y seguridad han contribuido a su gran difusión, estando disponibles en casi todos los ámbitos de la asistencia sanitaria, e incluso los automáticos en lugares públicos, sin personal sanitario. La desfibrilación se utiliza en los casos de parada cardio respiratoria, con el paciente inconsciente, que presenta fibrilación ventricular o taquicardia ventricular sin pulso. Son letales sin tratamiento.

 La cardioversión eléctrica se emplea para revertir todo tipo de arritmias reentrantes, salvo la fibrilación ventricular. El choque eléctrico es sincronizado con la actividad eléctrica del corazón. Puede ser administrado de forma electiva o urgente, si la situación compromete la vida del paciente.

 Claude Beck realizó la primera desfibrilación en el curso de una intervención quirúrgica del corazón en 1947. 

La cardioversión se utilizó por primera vez en humanos por Zoll et al. En los años 50 para el tratamiento de la fibrilación auricular mediante choques de corriente alterna, que frecuentemente inducían Fibrilación Ventricular. Poco después Lown et al. Reduce drásticamente esta complicación al realizarlo con corriente continua. Posteriormente estas desaparecerían al introducir la sincronización con la onda R del electrocardiograma (ECG), es decir emitir la descarga con la despolarización de los ventrículos, evitando hacerlo en la re-polarización ventricular, la onda T del electrocardiograma. 

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Pulmón de acero: Un pulmón de acero, o llamado correctamente ventilador de presión negativa, es una gran máquina que permite a una persona respirar cuando ésta perdió el control de sus músculos o el trabajo de respiración excede la habilidad de la persona. Es una forma de ventilación mecánica. 

La máquina fue inventada por Philip Drinker y Louis Agassiz Shaw, de la Harvard School of Public Health, originalmente para el tratamiento contra el envenenamiento por gas de carbón. Tuvo su mayor uso a mediados del siglo XX, cuando las víctimas de poliomielitis (mejor conocida como polio), aquejadas por parálisis (inclusive del diafragma, el músculo en forma de cono situado en el centro de la caja torácica cuya acción es controlar la presión intratorácica), no eran capaces de respirar, por lo que eran ubicadas en estas cámaras de acero para sobrevivir. El primer pulmón de acero fue instalado en el hospital Bellevue, en la Ciudad de Nueva York, en 1927. El pulmón de acero fue usado por primera vez el 21 de octubre de 1928 en el Children's Hospital, Boston, Massachusetts, en una niña inconsciente con problemas respiratorios; su dramática recuperación, a pocos segundos de ser colocada en la cámara, fue lo que popularizó el "Drinker Respirator" (Respirador Drinker). 

En conclusión la instrumentación médica hoy en día es un campo sumamente necesario para la medicina ya que cada vez se cuentan con más avances y esto permite que las personas cuenten con alternativas cada vez más confiables para su tratamiento y recuperación, además que como industria deja grandes dividendos tanto en su fabricación como en el uso médico.

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Ingeniería molecular y celular.

La Biotecnología incluye cualquier técnica que utilice organismos vivos o partes de los organismos para fabricar o modificar productos, para mejorar plantas o animales o para desarrollar microorganismos para usos específicos. La Biotecnología posee la capacidad de cambiar a la comunidad industrial del ya próximo siglo XXI debido a su potencial para producir cantidades prácticamente ilimitadas de:

sustancias de las que nunca se había dispuesto antes  productos que se obtienen normalmente en cantidades pequeñas  productos con coste de producción mucho menor que el de los fabricados

por medios convencionales  productos que ofrecen mayor seguridad que los hasta ahora disponibles  productos obtenidos a partir de nuevas materias primas más abundantes y

baratas que las utilizadas anteriormente.

La manipulación genética de las plantas en beneficio del hombre es parte de la Biotecnología.

Ingeniería Genética Molecular

Mediante la ingeniería genética han podido modificarse las características de gran cantidad de plantas para hacerlas más útiles al hombre, son las llamadas plantas transgénicas. Las primeras plantas obtenidas mediante estas técnicas fueron un tipo de tomates, en los que sus frutos tardan en madurar algunas semanas después de haber sido cosechados.

Recordando que la célula vegetal posee una rígida pared celular, lo primero que hay que hacer es obtener protoplastos

Vamos a ver las técnicas de modificación genética en cultivos celulares. Estas células pueden someterse a tratamientos que modifiquen su patrimonio genético. Las técnicas se clasifican en directas e indirectas.

Entre las técnicas indirectas cabe destacar la transformación de células mediada por Agrobacterium tumefaciens. Esta bacteria puede considerarse como el primer ingeniero genético, por su particular biología.

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Biología de Agrobacterium tumefaciens.

Esta bacteria, presente en el suelo, es patógena de muchas plantas a las que produce un tumor conocido como "agalla de cuello". Penetra en los tejidos vegetales causando una proliferación celular.

Durante el contacto con las células vegetales la bacteria transfiere a las células vegetales un plásmido llamado Ti (inductor de tumores). Este plásmido se integra en el ADN del cromosoma de la célula vegetal. Este plásmido transferido o T-ADN contiene los genes oncogénicos (onc) cuya expresión provoca una mayor producción de hormonas de crecimiento, estas son las que inducen las divisiones celulares que dan origen a la formación del tumor o agalla.

Este fenómeno natural es empleado para utilizar a la bacteria Agrobacterium tumefaciens como vector de los genes que se desean introducir en una célula vegetal, con lo que se transforma dicha célula, la cual puede regenerar, por micro propagación, una planta entera que será transgénica.

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Agrobacterium: un precursor natural de los biotecnólogos

La bacteria Agrobacterium tumefaciens contiene como ya vimos en un punto anterior, un plásmido Ti, que contiene los genes responsables de su virulencia, llamados genes onc.

Cuando la bacteria infecta a la planta, provocando en ella un tumor, una parte del plásmido Ti, llamada T-ADN, que contiene los genes onc, es transferida al núcleo de la célula vegetal y se inserta en un cromosoma de la planta. De esta manera, la bacteria modifica la información genética de la planta, añadiéndole los genes onc. Agrobacterium se comporta, de esta forma, como un ingeniero genético natural. Si en el plásmido Ti se eliminan artificialmente los genes onc y se sustituyen por otros genes que interese clonar, se habrá obtenido un sistema muy eficaz para introducir ADN interesante a la planta, al mismo tiempo que se habrá evitado la aparición de la enfermedad.

Plantas que se iluminan

En la transfección vegetal con Agrobacterium se ha ensayado un marcador inusual: el gen de la enzima luciferasa, de las luciérnagas. El sustrato de esta enzima es una proteína llamada luciferina, que con ATP y oxígeno desprende luz. Plásmidos Ti con este marcador, se transfirieron a células de tabaco, con las que se formaron nuevas plantas. Las nuevas plantas obtenidas se regaron en la oscuridad con agua y luciferina disuelta. El resultado fue sorprendente: las plantas se iluminaron como si fuesen unas bombillas de poca potencia o un dibujo de un anuncio fluorescente.

1) Entre las técnicas directas, se pueden citar la electroporación, microinyección, liposomas y métodos químicos.

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Plantas transgénicas.

Entre los principales caracteres que se han transferido a vegetales o se han ensayado en su transfección, merecen destacarse:

Resistencia a herbicidas, a insectos y a enfermedades microbianas.

Ya se dispone de semillas de algodón, que son insensibles a herbicidas. Para la resistencia a los insectos se utilizan cepas de Bacillus thuringiensis que producen una toxina

(toxina - Bt) dañina para las larvas de muchos insectos, de modo que no pueden desarrollarse sobre las plantas transgénicas con este gen. Respecto a los virus se ha demostrado que las plantas transgénicas con el gen de la proteína de la cápsida de un virus, son resistentes a la invasión de dicho virus.

Incremento del rendimiento fotosintético

Para ello se transfieren los genes de la ruta fotosintética de plantas C4 que es más eficiente.

Mejora en la calidad de los productos agrícolas

Tal es el caso de la colza y la soja transgénicas que producen aceites modificados, que no contienen los caracteres indeseables de las plantas comunes.

Síntesis de productos de interés comercial

Existen ya plantas transgénicas que producen anticuerpos animales, interferón, e incluso elementos de un poliéster destinado a la fabricación de plásticos biodegradables

Asimilación de nitrógeno atmosférico

Aunque no hay resultados, se ensaya la transfección del gen nif responsable de la nitrogenasa, existente en microorganismos fijadores de nitrógeno, y que permitiría a las plantas que hospedasen dicho gen, crecer sin necesidad de nitratos o abonos nitrogenados, aumentando la síntesis de proteínas de modo espectacular.

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Aspectos bioéticos de la utilización de las plantas y alimentos transgénicos.

¿Cuál es la perspectiva bioética de la producción y utilización de las plantas transgénicas? En el contexto bioético hay que tener en cuenta dos aspectos: el sanitario y el ecológico.

a) Punto de vista sanitario

Desde el punto de vista sanitario, el riesgo teórico que supone que el gen que da resistencia a los antibióticos beta-lactámicos (ampicilina) pase a bacterias del tracto intestinal humano directa o indirectamente vía bacterias del tracto intestinal de los animales que se alimenten con el maíz transgénico no procesado. ¿Justificaría ese riesgo potencial con una probabilidad prácticamente nula la prohibición del maíz transgénico con el gen Bt de Bacillus thuringiensis ?. Posiblemente no. Por otro lado, nunca se ha demostrado que un gen consumido por boca haya sido transmitido a una bacteria del tracto intestinal.

Otro aspecto sanitario es el de la aparición de alergias insospechadas por el consumo de alimentos transgénicos. Por ejemplo, se han citado casos de alergia producidas por soja transgénica manipulada con genes de la nuez de Brasil o de fresas resistentes a las heladas por llevar incorporado un gen de pescado (un pez que vive en aguas árticas a bajas temperaturas). En este segundo supuesto, las personas alérgicas al pescado podrían sufrir una crisis alérgica al ingerir las fresas transgénicas.

B) Punto de vista ecológico

Desde el punto de vista ecológico se ha denunciado la posibilidad de que al crear las variedades transgénicas resistentes a herbicidas se incrementará notablemente el uso de éstos con los posibles efectos secundarios negativos de contaminación del suelo y del agua.

Por otro lado, en especies alógamas (de fecundación cruzada) existe la posibilidad de que una parcela sembrada con plantas transgénicas contamine con su polen a otras parcelas vecinas no transgénicas del mismo cultivo. Por ejemplo, si el polen de un campo de maíz transgénico poliniza plantas normales de una parcela próxima, la semilla que se produzca en esta parcela puede haber incorporado el gen Bt transmitido por el polen; es decir, sería transgénica. También podría ocurrir que la resistencia al herbicida de una variedad transgénica se transfiriera por fecundación interespecífica espontánea a una especie silvestre afín, con el consiguiente daño para la agricultura. Las plantas transgénicas son un reto de la Biotecnología actual que han creado un cierto grado de alarma social

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consecuencia, en cierto modo, del temor a lo desconocido y novedoso. De todas formas, es bueno que se plantee en la sociedad un debate serio y riguroso -sin “ecologismos” demagógicos- que permita el avance de la ciencia, evitando a la vez peligros y riesgos innecesarios.

3. Riesgos potenciales que pueden implicar las plantas transgénicas

I. Efecto directo sobre el hombre:

i. La proteína codificada por el transgén no debe ser tóxica para el hombre

ii. Posibles efectos alergénicosiii. La aprobación de los productos transgénicos debe ser

analizada caso por caso

II. Efecto ambiental:

i. Dispersión incontrolada de la descendencia de la planta transgénica

ii. Transferencia del transgén a otras variedades no transgénicas o a otras especies afines

iii. Inducción de resistencia a los productos transgénicos por parte de los agentes patógenos y plagas

4. El riesgo científico

En general, la ciencia ha avanzado a ciegas en cuanto al riesgo, pero alerta a sus síntomas

I. Hay que distinguir entre el riesgo de la investigación básica y el riesgo de la aplicación del conocimiento adquirido

II. Hay discrepancias entre la importancia objetiva de un riesgo y su percepción subjetiva:

i. El riesgo voluntario causa menos temor que el riesgo impuesto

ii. El riesgo de origen natural causa menos temor que el de origen industrial

iii. El riesgo que se produce en un entorno familiar causa menos temor que el que se produce en un escenario exótico

iv. El riesgo que es difuso en el tiempo o en el espacio causa menos temor que el que se concreta en hora y lugar

III. No existe el riesgo cero:i. Toda actividad humana conlleva un cierto riesgo que ha de

ser evaluado en función de los beneficios que tal actividad reporta

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IV. Natural no es sinónimo de inocuo: i. Hay productos naturales que llevan substancias mutagénicas

y cancerígenas (por ejemplo: pimienta negra, safrol; setas comestibles, hidrazinas; apio; etc.)

V. No todo lo artificial es nocivo : i. Ninguno de los conservantes autorizados llega a ser tan

peligroso como las toxinas que pueden producir las bacterias y los hongos que el conservante evita

Catastro de modificaciones genéticas

Carácter Porcentaje

Tolerancia herbicidas 27 %

Resistencia virus 18 %

Resitencia insectos 14 %

Retraso maduración 11 %

Resistencia insectos + tolerancia herbicidas

7 %

Síntesis almidón 4 %

Resistencia sequía 1 %

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La Transgénesis en los Animales.

La transgénesis se puede definir como la introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares. Generalmente, en animales, el ADN extraño, llamado transgén, se introduce en zigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN extraño en su genoma, previamente a la primera división, producirán un organismo transgénico; de modo que el transgén pasará a las siguientes generaciones a través de la línea germinal (gametos).

Entre las aplicaciones de los animales transgénicos se pueden destacar:

La posibilidad de estudiar a nivel molecular el desarrollo embrionario y su regulación.

Manipular de forma específica la expresión génica in vivo. Estudiar la función de genes específicos. Poder utilizar a mamíferos como biorreactores para la producción de

proteínas humanas. La corrección de errores innatos de metabolismo mediante terapia

génica.

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La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos estrategias distintas:

Transgénesis por micro inyección de zigotos

Desde que en 1982 se obtuviera un ratón transgénico, la producción de animales transgénicas es cada vez más cotidiana, existiendo ya animales transgénicos de las siguientes especies: ratón, rata, conejo, cerdo, vaca, cabra y oveja. La técnica se realiza, fundamentalmente por micro inyección y se realiza de la siguiente forma:

En la primera fase, se aíslan un número grande de óvulos fertilizados. Se consigue sometiendo a las hembras a un tratamiento hormonal para provocar a súper ovulación.

La fertilización puede hacerse in vitro o in vivo.

En la segunda fase, los zigotos obtenidos se manipulan uno a uno y con una micro pipeta a modo de aguja, se introduce una solución que contiene ADN.

En la tercera fase, estos óvulos son reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas permitiendo la gestación hasta término.

Por último, tras el destete de los recién nacidos, éstos se chequean, para ver si ha ocurrido la incorporación del transgén.

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Transgénesis por manipulación de células embrionarias.

Una estrategia más poderosa para la transgénesis implica la introducción de ADN extraño en células embrionarias totipotentes (células ES) o células embrionarias madres (células EM).

Estas células se toman del interior de la blástula en desarrollo y se pasan a un medio donde se tratan con distintos productos con lo que se conseguirá que las células no se diferencien, y se mantiene su estado embrionario.

El ADN extraño se introduce en las células es mediante diversas técnicas, posteriormente las células transfectadas son reintroducidas en una blástula y ésta reimplantada en una hembra.

Con esta técnica los neonatos son quimeras; pero mediante el cruce de éstas se consiguen animales transgénicos con aquellas quimeras que hayan incorporado el transgén en su línea germinal

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Obtención de una cerda transgénica

Un gen híbrido que contiene el gen humano que codifica la síntesis de una proteína de interés biológico junto con el promotor del gen que codifica una proteína de la leche de rata, se introducen por micro inyección en un óvulo de cerda fecundado.

El desarrollo de ese óvulo da lugar a un animal transgénico que tiene en todas sus células el gen híbrido. Debido al promotor elegido, ese gen solamente se expresa en la glándula mamaria de la cerda induciendo la producción de la proteína humana en la leche.

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Clonación de Animales

El principio de la clonación está en la obtención de organismos idénticos genéticamente, y por tanto morfológica y fisiológicamente, como lo son dos gemelos univitelinos. Esto ha sido el sueño de muchos ganaderos, que han deseado que todo su ganado tuviera las cualidades de algún ejemplar especialmente bueno.

Se pueden utilizar dos métodos para conseguir clones de animales:

1. Por designación de células embrionarias. Se basa en el mismo principio por el que nacen gemelos de forma natural. Se pueden separar las células de un embrión en diferentes estados de desarrollo, desde el estado de 2 células hasta el estado de mórula. Cada célula separada puede funcionar como un zigoto que puede desarrollarse para dar un individuo completo.

2. Por transferencia nuclear. Se toman células embrionarias en fase de mórula o blástula, obtenidas por disgregación, se cultivan “in vitro”, y después se transfieren a ovocitos a los que se les ha quitado el núcleo. Se provoca la fusión de las dos células animales de modo que el núcleo de la célula embrionaria quede en el interior del ovocito, pudiendo éste empezar a funcionar como un zigoto.

Así se han obtenido 470 embriones clónicos de terneros de un único embrión donante de células.

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Cuanto más diferenciadas estén las células donantes de material genético, más difícil es conseguir la reprogramación de dicho material genético para que pueda iniciar la diferenciación de la célula receptora. Actualmente es posible obtener clones de células totalmente diferenciadas de un animal adulto que actúan como donantes de su material genético, como ocurrió en el caso de la famosa oveja Dolly.

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Aplicaciones Médicas

Entre ellas se pueden citar:

1.- OBTENCIÓN DE PROTEINAS DE MAMÍFEROS

Una serie de hormonas como la insulina, la hormona del crecimiento, factores de coagulación, etc. tienen un interés médico y comercial muy grande. Antes, la obtención de estas proteínas se realizaba mediante su extracción directa a partir de tejidos o fluidos corporales.

En la actualidad, gracias a la tecnología del ADN recombinante, se clonan los genes de ciertas proteínas humanas en microorganismos adecuados para su fabricación comercial.

Un ejemplo típico es la producción de insulina que se obtiene a partir de la levadura Sacharomyces cerevisae, en la cual se clona el gen de la insulina humana.

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2.- OBTENCIÓN DE VACUNAS RECOMBINANTES

El sistema tradicional de obtención de vacunas a partir de microorganismos patógenos inactivos, puede comportar un riesgo potencial. Muchas vacunas, como la de la hepatitis B, se obtienen actualmente por ingeniería genética. Como la mayoría de los factores antigénicos son proteínas lo que se hace es clonar el gen de la proteína correspondiente.

3.- OBTENCIÓN DE ANTICUERPOS MONOCLONALES.

Este proceso abre las puertas para luchar contra enfermedades como el cáncer y diagnosticarlo incluso antes de que aparezcan los primeros síntomas.

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4.- DIAGNÓTICO DE ENFERMEDADES DE ORIGEN GENÉTICO:

Conociendo la secuencia de nucleótidos de un gen responsable de una cierta anomalía, se puede diagnosticar si este gen anómalo está presente en un determinado individuo. En el siguiente dibujo se explica brevemente la base del diagnóstico.

ConclusiónYa demostradas algunas de las aplicaciones de la genética molecular, podemos decir que a pesar que tienen algunas contraindicaciones, es un muy buen sistema para mejorar y aumentar producciones de plantas y vegetales, también sirve para corregir errores genéticos, etc. Y una de las aplicaciones que más nos afectan son las relacionadas con la medicina, ya que se crean nuevas maneras de detener enfermedades que nos afectan tan duramente como el cáncer.

Creemos que por el gran auge y avances que están tomando, creemos que a los Ingenieros Genéticos Moleculares, les queda una gran tarea por delante, ya que demostrando los avances que llevan hasta el momento, nos podemos dar cuenta que dan para mucho mas. Ojalá que pudieran encontrar más soluciones para enfermedades que nos afectan en la actualidad.

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Biología de sistemas.

La biología sistémica o biología de sistemas es el campo de investigación interdisciplinaria de los procesos biológicos en el que las interacciones de los elementos, internos y externos, que influyen en el desarrollo del proceso se representan con un sistema matemático.

Este enfoque "holístico" o "global" permite comprender integra damente el funcionamiento de los sistemas biológicos y profundizar en el entendimiento de cómo sus interacciones internas y con otros sistemas conllevan a la aparición (emergencia) de nuevas propiedades. Prácticamente cualquier proceso biológico puede ser objeto de estudio de la biología sistémica, como por ejemplo, el crecimiento de una célula, la interacción entre dos bacterias o la circulación sanguínea en un organismo. La biología sistémica comenzó a desarrollarse en los años sesenta del siglo XX, pero se estableció como disciplina académica alrededor del año 2000.

Convencionalmente, en el estudio de los procesos biológicos se utiliza el método científico clásico, que se basa en la confirmación o refutación de una hipótesis al confrontarla con los resultados experimentales. La biología sistémica utiliza un enfoque distinto basado en la modelización matemática de los procesos en estudio. Como resultado de la simulación, al poner a funcionar los modelos matemáticos con los que se representa al proceso, se obtiene una serie de predicciones del estado del proceso biológico que corresponderían a los resultados experimentales esperados. Durante las simulaciones, la red de interacciones entre los elementos que componen al proceso biológico se representa con un sistema de ecuaciones diferenciales. Los valores de las características de esos elementos a distintos tiempos y bajo diversas condiciones experimentales (simuladas) son predecibles porque la dinámica, es decir los cambios del estado de ese sistema modelado, es calculable matemáticamente.

La biología sistémica es un área interdisciplinaria en la que participan biólogos, bioquímicos, matemáticos, físicos, programadores, ingenieros en control automático y teoría de sistemas, entre otros.

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Historia de la Biología de sistemas.

La biología de sistemas tiene sus raíces en:

El modelado cuantitativo de cinética enzimática, una disciplina que floreció entre 1900 y 1970.

Los modelos matemáticos de estudio del crecimiento de poblaciones, Simulaciones desarrolladas para estudiar neurofisiología, y teoría de control y cibernética

Uno de los teóricos que puede ser visto como precursor de la biología de sistemas es Ludwig von Bertalanffy, por su teoría general de sistemas. En 1952, los neuro fisiólogos británicos y los ganadores del premio nobel Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Fielding Huxley construyeron un modelo matemático describiendo la acción potencial que se propagaba a través del axón de una neurona. En 1960, Denis Noble desarrolló el primer modelo computacional de un corazón latente.

La década de 1960 vio el desarrollo de varias aproximaciones al estudio de sistemas complejos moleculares, como por ejemplo el análisis del control metabólico y la teoría de sistemas bioquímicos. El éxito de la biología molecular a través de la década de 1980, pareado con un escepticismo hacia la biología teórica, causó que el modelado cuantitativo de procesos biológicos se convirtiera en un campo científico menor.

Sin embargo, el nacimiento de la genómica funcional en la década de 1990 significó que una gran cantidad de información de alta calidad se hizo disponible, al tiempo que las posibilidades de la ciencia computacional crecían a pasos agigantados, lo que permitió construir modelos más complicados y realistas. En el año 1977, el grupo de Masaru Tomita publicó el primer modelo cuantitativo del metabolismo completo de una célula hipotética (simplificada).

Cerca del año 2000, cuando los institutos de sistemas en biología estaban siendo establecidos en Seattle y Tokio, la biología de sistemas emergió como un movimiento en su propio derecho, espoleado por la culminación de varios proyectos de genoma, el largo incremento de información de las ómicas (e.g. genómica, metabolómica y proteómica), y los avances que acompañaron a los experimentos así como también la bioinformática. Desde entonces, varios institutos de investigación dedicados a la biología de sistemas han sido desarrollados. Desde el 2006, debido a la escasez de gente trabajando en biología de sistemas, varios doctorados en biología de sistemas han sido establecidos en varias partes del mundo.

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Genómica nutricional.

La genómica nutricional es una disciplina que estudia la relación entre el genoma humano, la nutrición y la salud.

Puede ser dividido en dos disciplinas:

Nutrigenómica: estudios del efecto de los nutrientes en la salud a través de la alteración del genoma, proteoma, metaboloma y los consiguientes cambios en la fisiología.

Nutrigenética: estudia el efecto de las variaciones genéticas en la interacción entre la dieta y la salud con implicaciones a subgrupos susceptibles. Más específicamente, los estudios nutrigenómica cómo las diferencias individuales en los genes que influyen en la respuesta del cuerpo a la dieta y la nutrición. Por ejemplo, las personas con una deficiencia enzimática causada por mutaciones en la enzima fenilalanina hidroxilasa no pueden metabolizar los alimentos que contienen el aminoácido fenilalanina y deben modificar sus dietas para reducir al mínimo el consumo. Con los datos genómicos modernos, severas mutaciones de genes con efectos menos severos se están estudiando para determinar si las prácticas dietéticas pueden estar más personalizada a los perfiles genéticos individuales. Sin embargo, ha habido pocos estudios validados para este tipo de clásicos efectos de mutación génica

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Bioinformática

La bioinformática, según una de sus definiciones más sencillas, es la aplicación de tecnología de computadores a la gestión y análisis de datos biológicos. 

Los términos de bioinformática, biología computacional y, en ocasiones, biocomputación, utilizados en muchas situaciones como sinónimos, hacen referencia a campos de estudios interdisciplinares muy vinculados que requieren el uso o el desarrollo de diferentes técnicas estudiadas universitariamente en la Ingeniería

Informática como ciencia aplicada de la disciplina informática. Entre estas pueden destacarse las siguientes: matemática aplicada, estadística, ciencias de la computación, inteligencia artificial, química y bioquímica con las que el Ingeniero Informático soluciona problemas al analizar datos, o simular sistemas o mecanismos, todos ellos de índole biológica, y usualmente (pero no de forma exclusiva) en el nivel molecular. El núcleo principal de estas técnicas se encuentra en la utilización de recursos computacionales para solucionar o investigar problemas sobre escalas de tal magnitud que sobrepasan el discernimiento humano. La investigación en biología computacional se solapa a menudo con la biología de sistemas.

Los principales esfuerzos de investigación en estos campos incluyen el alineamientodesecuencias,la prediccióndegenes, montajedel genoma, alineamiento estructural de proteínas, predicción de estructura de proteínas, predicción de la expresión génica ,interacciones proteína-proteína, y modelado de la evolución.

Una constante en proyectos de bioinformática y biología computacional es el uso de herramientas matemáticas para extraer información útil de datos producidos por técnicas biológicas de alta productividad, como la secuenciación del genoma. En particular, el montaje o ensamblado de secuencias genómicas de alta calidad desde fragmentos obtenidos tras la secuenciación del ADN a gran escala es un área de alto interés. Otros objetivos incluyen el estudio de la regulación genética para interpretar perfiles de expresión génica utilizando datos de chips de ADN o espectrometría de masas.

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Conceptos y alcance.

Como se ha avanzado en la introducción, los términos bioinformática, biología computacional y biocomputación son utilizados a menudo como sinónimos, apareciendo con frecuencia en la literatura básica de forma indiferenciada en sus usos comunes. Sin embargo, hay conformadas áreas de aplicación propias de cada término. El NIH (National Institutes of Health, Institutos Nacionales de la Salud de los Estados Unidos), por ejemplo, aún reconociendo previamente que ninguna definición podría eliminar completamente el solapamiento entre actividades de las diferentes técnicas, define explícitamente los términos bioinformática y biología computacional:

Bioinformática es la investigación, desarrollo o aplicación de herramientas computacionales y aproximaciones para la expansión del uso de datos biológicos, médicos, conductuales o de salud, incluyendo aquellas herramientas que sirvan para ver, actualizar u obtener esos datos.

Biología computacional sería el desarrollo y aplicación de métodos teóricos y de análisis de datos, modelado matemático y técnicas de simulación computacional al estudio de sistemas biológicos, conductuales y sociales.

De esta forma, la bioinformática tendría más que ver con la información, mientras que la biología computacional lo haría con las hipótesis. Por otra parte, el término biocomputación suele enmarcarse en las actuales investigaciones con biocomputadores y, por ejemplo, T. Kaminuma lo define de la siguiente forma:

Biocomputación es la construcción y uso de computadores que contienen componentes biológicos o funcionan como organismos vivos.

Aparte de las definiciones formales de organismos o instituciones de referencia, los manuales de esta materia aportan sus propias definiciones operativas, lógicamente vinculadas en mayor o menor medida con las ya vistas. Como ejemplo, David W. Mount, en su difundido texto sobre bioinformática, precisa que:

la bioinformática se centra más en el desarrollo de herramientas prácticas para la gestión de datos y el análisis (por ejemplo, la presentación de información genómica y análisis secuencial), pero con menor énfasis en la eficiencia y en la precisión.

Por otra parte y según el mismo autor:

la biología computacional generalmente se relaciona con el desarrollo de algoritmos nuevos y eficientes, que se puede demostrar funcionan sobre un problema difícil, tales como el alineamiento múltiple de secuencias o el montaje (o ensamblado) de fragmentos de genoma.

La bioinformática es la ciencia del uso de la información para entender la biología. (...) Hablando estrictamente, la bioinformática es un subconjunto del campo mayor de la biología computacional, (siendo esta última) la aplicación de técnicas analíticas cuantitativas en el modelado de sistemas biológicos.

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Avances significativos en la bioingeniería.

A continuación se nombraran algunos de los avances más importantes que a otorgado el área de la bioingeniería como lo son los robots cirujano, prótesis mecánicas y robóticas, entre muchas otras cosas.

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Microchip para la Detección Temprana del Cáncer

Los investigadores han desarrollado un nuevo chip para la recogida de las células cancerosas a partir de muestras de sangre, independiente del tipo o etapa del cáncer.

El uso de un chip de plástico, los médicos podrán pronto ser capases de detectar una gama mucho más amplia de células cancerígenas en la sangre de sus pacientes.

Su trabajo se centra en una nueva versión de la CTC-chip , una tecnología desarrollada por primera vez en 2007 para detectar células tumorales circulantes , las células que salen de un tumor y viajan a través del torrente sanguíneo a la metástasis en otras partes del cuerpo. El original lab-on -a-chip , del tamaño de un portaobjetos de microscopio, las obras de las muestras de sangre que pasa a través de un conjunto de cerca de 80.000 puestos de trabajo, cada uno de apenas el tamaño de un cabello humano y recubiertas con anticuerpos que atraen a las células tumorales circulantes, o CTC. Una vez que la muestra ha pasado por los investigadores pueden examinar el chip y contar CTCs para ver hasta qué punto ha progresado el cáncer. El problema hasta ahora ha sido que los chips se basan en la presencia de la EpCAM proteína de la superficie celular para capturar CTC. Pero algunas células, incluyendo las que se encuentran en el melanoma y ciertos tipos de cáncer de mama de cáncer tienen un número reducido de EpCAMs o la falta de ellos por completo, lo que hace que sean difíciles de atrapar. El nuevo dispositivo, hecho de varios chips, evita este problema centrándose en la células de la sangre en la muestra de un paciente en lugar de las células cancerosas. El primer chip en el sistema de roza fuera de las diminutas células rojas de la sangre y plaquetas de modo que sólo los CTC y las células blancas de la sangre de flujo en el segundo. Este segundo chip atrae las células restantes en un solo archivo de línea, donde pequeñas perlas magnéticas, cada uno de aproximadamente el tamaño de una bacteria, agarran proteínas de superficie específicas a las células blancas de la sangre. Por último, un campo magnético atrae a las parejas de los glóbulos blancos y perlas magnéticas, dejando sólo los CTC que se recojan. Mehmet Toner, un ingeniero biomédico y profesor de cirugía en la Escuela de Medicina de Harvard que trabajó en los dos modelos de la viruta, dice la nueva generación hace tres mejoras principales. Primero, dice PM, el chip tiene un rendimiento mucho mayor. Para la detección temprana del cáncer, cuando las células cancerosas son escasas, un

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chip tiene que ser capaz de procesar aproximadamente 10 a 20 mililitros de sangre. El primer chip podría procesar sólo 1 a 2 mililitros por hora, es decir, horas de procesamiento para una sola prueba. El nuevo chip puede procesar 10 mililitros de sangre por hora. El nuevo chip también puede encontrar CTCs que carecen de la proteína EpCAM, que escapó del modelo anterior. "Nuestra idea original era que la mayoría de los cánceres son epiteliales y tenía EpCAMs," Toner dice, "pero resulta que usted necesita diferentes sabores de anticuerpos para las diferentes etapas del cáncer de las células pueden cambiar su fenotipo", o su composición, "con el tiempo y tratamiento. Así en busca de un anticuerpo específico en la superficie de la célula de cáncer era un poco ingenuo”. Ahora el chip antígeno-independiente puede detectar células de prácticamente cualquier tipo de cáncer. Finalmente, el nuevo chip conserva CTCs en un "estado natural y prístino" en lugar de dejar que se quedan atrapados en los diminutos puestos en el microchip. Con estas células, Toner dice, los médicos pueden realizar estudios patológicos y genéticos precisos, diciéndoles mucho más acerca de la progresión de los cánceres de sus pacientes. Estas tres mejoras, Toner, dice, podrían hacer los chips mucho mejor en la detección temprana del cáncer. "El SIDA es una buena analogía para el tratamiento del cáncer", dice el tóner. "En este país, es una enfermedad crónica. Tenemos una prueba, que puede diagnosticarla y tratarla, y controlar al paciente. Usted tiene un nivel muy personal de supervisión y diagnóstico. No podemos hacer esto con el cáncer. En los países subdesarrollados, detectan AUDITIVOS demasiado tarde y bombardean al paciente con fármacos tóxicos, y todavía casi nadie sobrevive. Estamos tratando el cáncer en Occidente como que el tratamiento del SIDA en los países del Tercer Mundo. Esperamos demasiado tiempo para encontrarlo, y el tratamiento es costoso, y las tasas de supervivencia son bajas. “Tóner también espera relativa facilidad el chip de la producción es de plástico en lugar de vidrio y utiliza magnéticos disponibles comercialmente cuentas-hará su transición al mercado de masas a una rápida. Los desarrolladores están trabajando con Johnson & Johnson para distribuir el producto, que pronto someterse a los ensayos clínicos. "Estamos esperanzados y emocionados", dice, "que se convierta en una realidad en el plazo de muy cerca." 

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Sistema Quirúrgico Da Vinci

El Sistema Quirúrgico Da Vinci es un sistema desarrollado por Intuitive Surgical, que consiste en un robot quirúrgico diseñado para posibilitar cirugías complejas con invasiones mínimas al cuerpo humano, usado especialmente para operaciones de próstata, reparaciones de válvulas cardíacas y procedimientos quirúrgicos ginecológicos.

El robot quirúrgico Da Vinci es una plataforma del tipo maestro-esclavo, diseñada para hacer más precisa y asequible la cirugía laparoscópica para el mayor número de cirujanos.

El sistema quirúrgico Da Vinci® es una tecnología sanitaria que brinda a los cirujanos una alternativa tanto a la cirugía abierta tradicional como a la laparoscopía convencional, poniendo las manos del cirujano en los controles de una plataforma robótica de última generación. El sistema Da Vinci permite a los cirujanos realizar hasta las intervenciones más complejas y delicadas mediante muy pequeñas incisiones con una precisión sin precedentes.

En la actualidad y desde su introducción en 1999, hay más de 1.200 robots Da Vinci instalados en todo el mundo, como Venezuela, Argentina, o España donde hay 12 de ellos.

El sistema consiste en:

La consola del cirujano. El carro del paciente. El carro de visualización.

La consola del cirujano

Es el centro de mando del sistema Da Vinci Si. El cirujano se sienta fuera del campo estéril, en la consola del cirujano, y maneja un endoscopio en 3D y los instrumentos EndoWrist® con los ojos, las manos y los pies mediante dos controladores principales y pedales. El sistema interpreta los movimientos del cirujano y los traduce a escala con movimientos precisos de los instrumentos.

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El carro del paciente

Es el componente quirúrgico del sistema Da Vinci Si, y su función principal es sostener los brazos para instrumentos y el brazo para la cámara. El sistema Da Vinci Si, utiliza la tecnología de centro de control. El centro de control es un punto fijo alrededor del cual se mueven los brazos del carro del paciente. La tecnología de centro de control, permite que el sistema manipule los instrumentos y el endoscopio en la zona de la operación, ejerciendo la mínima presión en la pared del cuerpo del paciente. El usuario del carro del paciente trabaja en el área estéril, ayudando al usuario de la consola del cirujano con el intercambio de instrumentos y endoscopios, y con otras tareas en la zona del paciente. Para garantizar la seguridad del paciente, las acciones del carro del paciente tienen prioridad sobre las acciones de la consola del cirujano.

Consola de visualización

Aloja el equipo de visualización de procesamiento central del sistema. Posee estantes regulables para incorporar instrumentos quirúrgicos auxiliares opcionales, como unidades electroquirúrgicas (ESU) e insufladores. Durante la operación lo maneja una persona no estéril.

Instrumentos

Los instrumentos EndoWrist® están diseñados para permitir a los cirujanos mantener su destreza natural, y proporcionarles además un mayor rango de movimiento que el que posee la mano humana. Están diseñados para trabajar con las suturas, disecciones y técnicas de manipulación de tejidos más rápidas y precisas que existen. Son instrumentos de uso múltiple, disponibles en diámetros de 8 mm y 5 mm.

Origen del nombre

El fabricante dice que recibe el nombre de Da Vinci como homenaje a Leonardo da Vinci quien construyó el primer robot. El artista Leonardo también usó una forma anatómica y detalles tridimensionales para darle vida a su trabajo.1

Diseño

Para ejecutar un procedimiento, el cirujano usa los controles maestros de la consola del cirujano para maniobrar cuatro brazos robóticos que aseguran los instrumentos y una cámara endoscópica de alta definición. El diseño en forma de muñeca de los instrumentos excede el rango natural de movimiento de un humano. El movimiento a escala y reducción del temblor mejora y refina el movimiento de la mano del cirujano. El sistema Da Vinci incorpora múltiples y redundantes características de seguridad diseñadas para minimizar los errores humanos comparados con los métodos tradicionales. En la actualidad el robot

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opera en la metodología "maestro-esclavo", el cirujano viene siendo el maestro y el robot el esclavo.

El sistema fue diseñado para mejorar la laparoscopia tradicional, en donde el cirujano de pie, usa instrumentos manuales, de formas incomodas y rústicas, y debe ver mediante un monitor 2D la imagen del cuerpo.

Con este sistema esas funciones son automatizadas, el cirujano permanece sentado con los ojos y manos posicionados sobre los instrumentos y para moverlos o reposicionar la cámara simplemente usa sus manos.

Al proporcionar a los cirujanos una visualización superior, una mayor destreza, mayor precisión y confort ergonómico, el sistema quirúrgico Da Vinci permite a los cirujanos realizar más procedimientos mínimamente invasivos abarcando disecciones o reconstrucciones complejas. Para el paciente, un procedimiento Da Vinci, puede ofrecer todos los beneficios potenciales de un procedimiento mínimamente invasivo, incluyendo menos dolor, menos pérdida de sangre y una menor necesidad de transfusiones. Además, el sistema Da Vinci, puede permitir una estancia hospitalaria más corta, una recuperación más rápida y un retorno más rápido a la normalidad las actividades diarias.2

Beneficios

Para el paciente, los beneficios pueden ser, entre otros:

Significativamente menos dolor. Menos pérdida de sangre. Menos fibrosis. Menor tiempo de recuperación. Regreso más pronto a las actividades diarias normales. Y en muchos casos, mejores resultados clínicos.

Procedimientos

El sistema quirúrgico Da Vinci fue autorizada por la FDA para Cirugía General Laparoscópica en el año 2000. El "Sistema Quirúrgico Da Vinci" es más comúnmente utilizado para las prostatectomías, reparación de válvulas cardíacas, y procedimientos quirúrgicos ginecológicos.

La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de los EE.UU. ha autorizado la cirugía para adultos y pediátricos en el uso de procedimientos quirúrgicos urológicos, en general los procedimientos quirúrgicos laparoscópicos, los procedimientos de cirugía laparoscópica ginecológica, procedimientos quirúrgicos toracoscópicos no-cardiovasculares y procedimientos cardíacos toracoscópicamente asistidos.

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El sistema Da Vinci también puede ser empleado con mediastinotomía complementaria para realizar la anastomosis coronaria durante la revascularización cardiaca.4

El sistema Da Vinci está aceptado por la FDA para múltiples procedimientos quirúrgicos, entre los que destacan:

Prostatectomía radical por cáncer de próstata. Carcinoma de endometrio. Cáncer de cérvix. Cáncer colo-rectal. Reparación valvular mitral. By-pass coronario. Cirugía de la obesidad mórbida, entre muchos otros procedimientos.

Usos clínicos representativos

Por definición, cualquier intervención que pueda ser realizada por laparoscopia o toracoscopia, es susceptible de realizarse con el Sistema Quirúrgico Da Vinci. No obstante, hay una serie de procedimientos que, por su complejidad técnica y, por tanto, por su larga curva de aprendizaje con la laparoscopia o toracoscopia convencionales, son especialmente idóneos para su realización con el robot:

Urología: prostatectomía radical, pieloplastia, cistectomía radical, nefrectomía, nefrectomía parcial, reconstrucción del suelo pélvico, reimplantación ureteral.

Ginecología: histerectomía simple y radical, miomectomía, sacrocolpopexy, anexectomías.

Cirugía General: colecistectomía, funduplicatura de Nissen, miotomía de Heller, neoplasias de sigma y recto, cirugía bariátrica, bypass gástrico, esplenectomía y resección intestinal.

Cirugía Cardio-torácica: by-pass aorto-coronario, reparación mitral, comunicación interauricular, reparación válvula tricúspide, timectomías.

Cirugía Pediátrica: Al estar disponible instrumental de 5 mm de diámetro, cualquier tipo de Cirugía Pediátrica mínimamente invasiva puede ser realizada con el Sistema Quirúrgico Da Vinci.

Otorrinolaringología: Nueva especialidad en desarrollo en varios centros del Reino Unido (pendiente de FDA), para el tratamiento de neoplasias de base de lengua, suelo de boca y laringe.

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Futuro

Aunque el término general de "cirugía robótica" se usa a menudo para referirse a la tecnología, este término puede dar la impresión de que el robot ejecuta por sí solo la cirugía cosa que no es cierto porque no lo puede hacer, no puede actuar en forma autónoma. Lo que hace es replicar a escala y en forma precisa los movimientos que el cirujano hace en la consola de control.

Usos pediátricos

Los investigadores del Hospital de Niños de Boston han desarrollado y perfeccionado una técnica para ejecutar pieloplastias robóticamente asistidas y han completado recientemente un estudio de 18 meses es efectiva para los procedimientos de ampliación vesical.

Los resultados de las investigaciones realizadas en niños también han dado lugar a avances y mejoras en el equipo de robótica, por lo que es más adecuado para su uso en la cirugía pediátrica.

El sólido programa de investigación del Centro de Cirugía Robótica se centra en la búsqueda de seguridad y aplicaciones innovadoras de tecnología robótica.

La medición y los análisis de los resultados de la cirugía robótica es una ventaja frente a la cirugía abierta y beneficiosa para el paciente.

Un segundo robot es utilizado para entrenar cirujanos y perfeccionar nuevas técnicas de cirugía y nuevos procedimientos robóticos.

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Transistor podría ayudar a restaurar la sensación del tacto

Un nuevo tipo de transistor podría permitir más inteligentes, pantallas táctiles de la piel artificial que "se siente", y las prótesis que envían información sensorial para amputados.

Años después de que un accidente en motocicleta lo dejo paralizado del cuello para abajo, Tim Hemmes pudo mover un brazo protésico utilizando solo sus pensamientos, incluso usarlo para saludar a su novia.

El alto y cinco años fue el resultado de una increíble hazaña de la

neurociencia y de la ingeniería, que ganó el proyecto el Premio Revelación 2012. Sin embargo, para Hemmes no fue una victoria completa. "Quiero seguir mis propios brazos, no sólo un brazo robótico", dijo PM continuación. Es una idea común a muchos usuarios de prótesis. Al ser entrevistado para un reportaje sobre los trasplantes de brazos, Jaimie Shores, un cirujano ortopédico en Hopkins Bayview Medical Center Johns, dijo a PM que los pacientes a menudo dicen que tienen problemas con la prótesis ya que los dispositivos no ofrecen retroalimentación sensorial. "Usted no tiene que mirar a su mano como usted pone su pelo hacia arriba o cepillarse los dientes, ya que puede sentir lo que está haciendo la mano", explica Shores. "Sabes perfectamente lo difícil que está apretando un huevo. Prótesis no ofrecen nada de eso." Un montón de equipos de investigación están trabajando para solucionar el problema. Publicado en la revista Science, investigadores de Georgia Tech han creado un nuevo tipo de transistor que utiliza nanocables para traducir las fuerzas mecánicas en corriente eléctrica, y que tiene el potencial de interactuar directamente con las neuronas de un amputado a transmitir información acerca de la presión, la forma de un objeto, y textura. Los investigadores dicen que el transistor también podría ayudar a crear mejores pantallas táctiles para aparatos electrónicos, para actuar como los nervios bajo la piel artificial para víctimas de quemaduras, y para permitir a los robots con un dinámico sentido del tacto que se adapta a recoger un huevo delicado contra una pelota de béisbol. ”Este trabajo es una buena demostración del potencial de nanocables para la detección táctil ", dice Zhenan Bao, ingeniero químico de la Universidad de Stanford. El nuevo transistor está hecho de nanocables de óxido de zinc dispuestos en una serie de protuberancias microscópicas. Cuando un objeto se presiona contra los golpes, cristales dentro de los nanocables se

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deforman y generan una corriente eléctrica. Mayores cantidades de presión de plomo a las cepas más grandes y mayores corrientes: cuanto mayor sea la presión, mayor resulta el esfuerzo y el más fuerte es la corriente. La matriz de transistores puede detectar entre 10 y 30 kilo pascales de presión, o acerca de la sensibilidad de la punta de un dedo humano. Por ejemplo, dice Zhong Lin Wang, uno de los coautores del papel, 20 kilo pascales es aproximadamente la presión que tendría que utilizar al escribir en un teclado de ordenador. Wang dice que estos arreglos pueden ofrecer sensibilidad que es varios órdenes de magnitud mayor que los métodos anteriores de la sensación táctil. Las matrices contienen 8464 píxeles táctiles (o "taxels") por centímetro cuadrado, mientras que otros estudios realizados recientemente entre los 6 y 27 taxels por centímetro cuadrado. (Incluso la punta del dedo humano tiene sólo 240 mecano receptores por centímetro cuadrado.) Sin embargo, el transistor se necesita mucho más trabajo antes de que esté listo para salir al mercado. Por un lado, Bao dice, "sería bueno tener un rango de presión de detección más amplio." Su laboratorio ha creado sensores que recogen presiones tan bajas como 3 pascales, donde los sensores de Wang están en sintonía con un rango medio de las presiones en los miles de pascales. Pero suave asomando por un objeto afilado puede variar en los millones de pascales, Bao dice, por lo que el transistor de nanocables probablemente no sería capaz de sentir eso. El mayor desafío, sin embargo, es la interfaz que se puede traducir señales eléctricas en algo que el ser humano cerebro puede sentir. Dice Bao, "Una neurona puede controlar directamente el movimiento de los músculos, lo que genera una fuerza local o deformación. Esta deformación puede ser recogida directamente por el transistor PIEZOTRONIC y [traducida] en una señal electrónica, que se puede utilizar directamente para el control de la base de silicio la electrónica. “Silvestro Micera, un ingeniero neural en el Swiss École Polytechnique Fédérale de Lausanne, dice que en los próximos años ", las interfaces neuronales serán más y más capaz de proporcionar una conexión íntima con ricos y los nervios sensoriales del sistema nervioso periférico . Por lo tanto, la posibilidad de tener sensores reales táctiles flexibles, será más y más importante”. 

Georgia Tech investigador Wenzhuo Wu contiene una matriz de transistores PIEZOTRONIC capaces de convertir el movimiento mecánico en señales directamente controlantes electrónicos.

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Telepatía más cerca que nunca

Las ratas con electrodos implantados en la cabeza pueden enviar información directamente de un cerebro a otro, incluso de diferentes continentes ¿Podría este descubrimiento anuncian el inicio de lectura de la mente y una Internet de cerebros?

En la novela de fin de la infancia el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke relata la historia de una civilización extraterrestre que visita la tierra y ayuda a crear una generación de niños humanos con telepatía.

Mentalmente interconectados, los niños piensan y actúan como uno lo sabe todo organismo. neurocientífico Miguel Nicolelis prevé un día en que nuestros cerebros realmente estarán interconectados en lo que él llama un cerebro-net, y ni siquiera necesitarán extranjeros para lograrlo. En su laboratorio de la Universidad de Duke, Nicolelis ha dado los primeros pasos para llevar la comunicación cerebro a cerebro en una realidad mediante la conexión electrónica cerebros de ratas. Los resultados se publican en la edición de hoy de los informes científicos. En los experimentos de Nicolelis, dos ratas sedientas se colocan en jaulas, idénticos separados. Ellos no pueden ver o escuchar a los demás, pero sus cerebros están conectados entre sí a través de los implantes de electrodos en sus cortezas motoras. Las ratas han sido entrenadas para empujar una palanca en el momento justo. En este caso, la señal es una luz que parpadea encima de la palanca correcta. Cuando los pasos de ratas en la palanca correcta, es recompensado con un sorbo de agua. Sin embargo, sólo la primera rata ve la señal luminosa. Para hacerse una idea de ese dulce H 2 O, rata N º 2 tiene que interpretar los pensamientos de rata N º 1. La idea es la siguiente: La luz parpadea a la izquierda en la rata en la jaula de N º 1, por lo que los pasos en la palanca izquierda . Mientras lo hace, las neuronas en la corteza fuego del motor de una manera específica. El electrodo implantado capta esas señales eléctricas, las traduce en código binario, y envía la señal a través de un cable al electrodo en el cerebro de rata N º 2.Allí, la señal se traduce en señales neuronales, con suerte haciendo alusión a la rata No. 2 al paso de la palanca de la izquierda. Si la rata No. 1 llegara a pisar la palanca de la derecha, sus neuronas se disparan de manera diferente, el envío de una señal distinta a la rata No. 2. Basándose en la información de rata N º 1, la segunda rata empujó la palanca correcta 85 por ciento del tiempo en los experimentos. Las ratas todavía podían comunicarse

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telepáticamente, incluso cuando uno de los animales fue trasladado desde el laboratorio de Carolina del Norte de Brasil. La única diferencia era que las señales del cerebro, los viajes a través de Internet, tomó un poco más de tiempo para llegar a la rata No. 2. Para Christopher James, un ingeniero biomédico que estudia las interfaces cerebro-máquina en la Universidad de Warwick (y quien no participó en el estudio), la investigación demuestra que "ya tenemos la tecnología para hacer este tipo de comunicación cerebro a cerebro. Es un poco crudo, pero podría hacerlo." Andrew Schwartz, neurobiólogo de la Universidad de Pittsburgh, Sin embargo, no se dejó impresionar por el hecho de que las decisiones de las ratas fueron binaria izquierda contra la derecha-es decir, las ratas tuvieron una probabilidad del 50 por ciento de golpear la palanca correcta simplemente adivinando. Schwartz dice que las máquinas controladas por el cerebro que ya han avanzado mucho más allá de ese punto. Por ejemplo, su laboratorio ha conectado cerebros de mono a los equipos, lo que permite un macaco de controlar un brazo robótico en tres dimensiones utilizando sólo sus pensamientos. Estos resultados se han replicado en los seres humanos, así, lo que permite a una mujer tetrapléjico que se alimente por sí el chocolate usando un brazo robótico controlado mentalmente. 

Sin embargo, Nicolelis dice que la comunicación cerebro a cerebro se vuelve más sofisticado, puede abrir todo tipo de aplicaciones que aún no hemos imaginado. Uno de los próximos pasos para su laboratorio habrá de interconectar varias ratas en una sola red. Mediante la interconexión de los cerebros de las ratas forma inalámbrica, lo que permite que se muevan libremente y socializar, los investigadores esperan ver cómo los animales se adaptan y utilizan esta nueva forma de comunicación. Nicolelis dice que quiere ver si los cerebros interconectados podrían desarrollar emergente propiedades únicas rasgos que resultan de las interacciones de muchas partes, similar a la forma en que las células simples en un cerebro se unen para formar un complejo de la mente y de la personalidad. Redes de cerebros interconectados podrían incluso formar un equipo orgánico que resuelve los problemas de manera diferente a un procesador de silicio, dice Nicolelis. "Tengo curiosidad por ver si podía almacenar información en una red cerebral distribuida así", dice. "La memoria se construye de muchos animales." Sin embargo, James advierte, si son posibles las propiedades emergentes de los sistemas multibrain, podrían no ser alcanzables con este sistema experimental. "La gran ventaja que tenemos en el cerebro humano [en comparación con un procesador] es que es masivamente paralelo e interconectado de forma masiva", dice. Por el contrario, las interfaces de cerebro a cerebro de Nicolelis vinculan sólo partes localizadas del cerebro utilizando un alambre rígido en lugar de conectar los cerebros enteros con un montón de datos que circulan en el medio. "Creo que las conexiones y los vínculos son el cuello de botella aquí. Así como están las cosas, la suma no es necesariamente mejor que

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las partes individuales", dice James. Si los científicos pudieran encontrar la manera de interconectar masivamente el cerebro, dice, puede ser posible crear algo más grande. Incluso si se pudiera crear tecnología no invasiva para conectar los cerebros humanos de esta manera, podría ser imposible transmitir pensamientos abstractos. Eso es porque incluso una tarea tan simple como imaginar un conejo requeriría varias partes del cerebro, y la reproducción de los conejos en el cerebro de otra persona necesitaría tener un mapa detallado del cerebro de esa segunda persona (que varía de un individuo a otro) y estimular múltiples partes del cerebro en patrones específicos en diferentes momentos. Eso puede ser factible que algún día, de acuerdo con Nicolelis y James, pero no hoy. En cuanto a lo que se siente tener señales del cerebro de otro organismo que entran en su cuenta, las ratas no están hablando. No es como si una voz de Dios les está diciendo que ir a la izquierda o ir a la derecha. Es probable que sea más como una pista o un impulso. "El cerebro del animal es ruidoso, y estamos enviando un pequeño susurro", dice Nicolelis. 

Las posibilidades de tal vinculo mental son poderosas. Los militares pueden desear soldados que están mentalmente en sintonía con los demás. Se podría hacer más fácil la empatía, que nos permite ver el mundo a través de la perspectiva de otra persona. Y la comunicación podría ser más rápida y más eficiente. "Si usted está leyendo, usted tiene que ir a través y mover mecánicamente los ojos", dice James. "Hay una demora en obtener la información en el cerebro, y entonces usted tiene que decodificar la información, etc. Y es similar si usted está escuchando palabras. Es muy posible que usted puede tomar las ideas en la fase de primas y transmitir ellos y empujarlos hacia adelante sin tener que codificar y decodificar... aunque eso es completa y absoluta especulación de mi parte. “Tal comunicación eficaz puede salvar vidas en situaciones de emergencia, James señala, debido a que el sistema de alerta podría eludir los sentidos. "Se puede ver esto como un aumento, la idea de sexto sentido. Puedo ver, puedo probar, puedo hablar, puedo escuchar, pero también puedo tener esta conciencia que se implanta directamente en el cerebro." Si los avances son posibles, son todavía a décadas de distancia. En el más corto plazo, los científicos necesitan para confirmar que la transferencia de información funciona en diferentes áreas del cerebro de rata, y para diferentes tareas. Tendrán que elaborar mapas más detallados del cerebro humano e inventar nuevas formas de tecnología para transmitir enormes cantidades de información de forma inalámbrica. Y la sociedad debe decidir si estamos a gusto con tal cosa. Nicolelis, por su parte, dice que no tiene "ninguna duda" de que los humanos se enlazará nuestras mentes con el tiempo, y ha demostrado que es cierto que puede ser posible. 

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Secuencia genómica del hombre de Denisova. 

Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva en Leipzig, secuenció ADN mitocondrial (mtDNA) extraído de un fragmento de hueso proveniente del dedo de una niña con ojos marrones, cabello castaño y piel morena quien murió en Siberia hace entre 74.000 y 82.000 años A.C. El análisis del mtDNA indica la existencia de un ancestro común entre el homínido de Denisova, Homo sapiens y el hombre de neandertal, que pudo vivir hace aproximadamente un millón de años. El ADN mitocondrial indica que este homínido procede de una migración desde África distinta a la de la entrada de Homo sapiens en Europa, a la de los ancestros de los neandertales y distinta, asimismo, del éxodo temprano de Homo erectus.

 Un molar descubierto en la misma cueva también dio ADN mitocondrial que se asemeja al del hueso del dedo. El molar presenta características morfológicas claramente diferentes a las de los neandertales y los humanos modernos, lo que confirma que pertenece a una especie con una historia evolutiva distinta. 

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Obtención de óvulos a partir de células madre. 

Científicos japoneses de la Universidad de Kioto consiguieron fabricar en el laboratorio óvulos fértiles, con capacidad para ser fecundados, a partir de células madre de ratón. Los óvulos dieron lugar a una amplia descendencia de ratoncillos sanos. La investigación puede dar lugar a nuevos tratamientos para combatir la fertilidad femenina, especialmente en el caso de las mujeres que han agotado sus óvulos fértiles, por edad o por un tratamiento médico agresivo. 

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Educación de las maquinas.

Las herramientas automatizadas que tienen como objetivo hacer más fácil enseñar a un ordenador que a programarlo.

El aprendizaje automático - la capacidad de las computadoras para comprender los datos, gestionar los resultados y perspectivas de inferir información incierta es la fuerza detrás de muchas revoluciones recientes en informática. Filtros de spam de correo electrónico, asistentes personales, teléfonos inteligentes y vehículos de auto-conducción se basan en los avances de investigación en aprendizaje automático. Desafortunadamente, aun cuando la demanda de estas capacidades se acelera, cada nueva aplicación requiere un esfuerzo hercúleo. Incluso un equipo de expertos en aprendizaje automático especialmente capacitados avanza sólo dolorosamente lento debido a la falta de herramientas para construir estos sistemas.

La programación probabilística para el Avance de Aprendizaje Automático (PPAML) del programa se puso en marcha para hacer frente a este desafío. Programación probabilística es un nuevo paradigma de programación para la gestión de información incierta. Al incorporar en el aprendizaje automático, PPAML busca aumentar considerablemente el número de personas que pueden construir con éxito aplicaciones de aprendizaje de máquina y hacer que los expertos de aprendizaje automático radicalmente más eficaz. Por otra parte, el programa busca crear aplicaciones más económicos, robustos y de gran alcance que necesitan menos datos para producir resultados más precisos - Características inconcebibles con la tecnología actual.

"Queremos hacer de la máquina de aprendizaje lo que la llegada de los lenguajes de programación de alto nivel hace 50 años hizo que la comunidad de desarrollo de software en su conjunto", dijo Kathleen Fisher, director del programa DARPA.

"Nuestro objetivo es que la máquina de futuros proyectos de aprendizaje no será necesario que la gente sepa todo acerca de tanto el dominio de interés y la máquina aprender a crear aplicaciones de aprendizaje de máquinas útiles. A través de nuevos lenguajes de programación probabilísticos adaptados específicamente a la inferencia probabilística, esperamos reducir decididamente las barreras actuales a la máquina de aprendizaje y fomentar el auge de la innovación, la productividad y la eficacia”.

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Deep learning

El aprendizaje profundo es un sub-campo de la máquina de aprendizaje que se basa en el aprendizaje de diferentes niveles de representación, lo que corresponde a una jerarquía de características o factores o conceptos, donde los conceptos de más alto nivel se definen a partir de los niveles inferiores, y el mismo nivel inferior conceptos pueden ayudar a definir muchos conceptos de nivel superior.

El aprendizaje profundo es parte de una familia más amplia de métodos de aprendizaje de máquina sobre la base de representaciones de aprendizaje. Una observación (por ejemplo, una imagen) se puede representar de muchas maneras (por ejemplo, un vector de píxeles), pero algunas representaciones que sea más fácil para aprender tareas de interés (por ejemplo, esta es la imagen de un rostro humano?) A partir de ejemplos, y la investigación en esta área pretende definir lo que hace mejores representaciones y la forma de aprender.

Algoritmos de aprendizaje profundo se basan en representaciones distribuidas, una noción que se introdujo con el conexionismo en el 1980. La suposición subyacente detrás de representaciones distribuidas es que los datos observados fueron generadas por las interacciones de muchos factores (no todos ellos conocidos por el observador), y que lo que se aprende acerca de un factor particular de algunas configuraciones de los otros factores a menudo puede generalizar a otros, configuraciones ocultas de los factores. El aprendizaje profundo añade la suposición (visto como un previo acerca de lo desconocido, los datos de generación de proceso) que estos factores están organizados en varios niveles, correspondientes a diferentes niveles de abstracción o composición: representaciones de nivel superior se obtienen mediante la transformación o la generación de nivel inferior representaciones. El número apropiado de los niveles y la estructura que relaciona estos factores es algo que también se espera que un algoritmo de aprendizaje profundo para descubrir a partir de ejemplos.

Algoritmos de aprendizaje profundo a menudo incluyen otras ideas importantes que corresponden a grandes creencias a priori sobre estos factores subyacentes desconocidas. Un importante previo acerca de una tarea de aprendizaje

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supervisado de interés (por ejemplo, dada una imagen de entrada, la predicción de la presencia de un rostro y la identidad de la persona) es que entre los factores que explican las variaciones observadas en los insumos (por ejemplo, imágenes), algunos de ellos son relevantes para la predicción de interés. Este es un caso especial de la configuración de aprendizaje semi-supervisado, que permite a un estudiante para explotar grandes cantidades de datos sin etiqueta (por ejemplo, las imágenes para las que no se conoce la presencia de un rostro y la identidad de la persona, en su caso,).

Muchos algoritmos de aprendizaje profundas en realidad están enmarcados como aprendizaje no supervisado, por ejemplo, el uso de muchos ejemplos de imágenes naturales para descubrir buenas representaciones de ellos. Dado que la mayoría de estos algoritmos de aprendizaje se puede aplicar a los datos no etiquetados, pueden aprovechar grandes cantidades de datos sin etiqueta, incluso cuando estos ejemplos no son necesariamente etiquetados, y aun cuando los datos no se pueden asociar con las etiquetas de las tareas inmediatas de interés.

Aprendizaje profundo en las redes neuronales artificiales

Algunos de los métodos más eficaces de aprendizaje profundo implican las redes neuronales artificiales. Profundo aprendizaje de redes neuronales se remontan al menos hasta el Neocognitrón 1980 por Kunihiko Fukushima. Se inspira en el modelo biológico 1959 propuesto por el Premio Nobel David H. Hubel y Torsten Wiesel, quien encontró dos tipos de células en la corteza visual primaria: células simples y células complejas. Muchas de las redes neuronales artificiales se pueden ver como modelos en cascada de tipos de células inspirados en estas observaciones biológicas.

Con el advenimiento del algoritmo de propagación hacia atrás, muchos investigadores trataron de entrenar las redes neuronales artificiales profundas supervisadas desde cero, inicialmente con poco éxito. Diploma tesis de Sepp Hochreiter de 1991 identificó formalmente la razón de este fracaso en el "problema de fuga de gradiente", que no sólo afecta a las redes feedforward muchas capas, pero también redes neuronales recurrentes. Estos últimos son entrenados por el despliegue en las redes feedforward muy profundas, donde se crea una nueva capa para cada intervalo de tiempo de una secuencia de entrada procesada por la red. Como los errores se propagan de capa a capa, se contraen de manera exponencial con el número de capas.

Para superar este problema, se han propuesto varios métodos. Una de ellas es la red de larga memoria a corto plazo (LSTM) de 1997 por Hochreiter y Schmidhuber. En 2009, las redes LSTM multidimensionales profundos demostraron el poder del aprendizaje profundo con muchas capas no lineales, al ganar tres ICDAR 2.009 concursos en el reconocimiento de escritura está

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conectado, sin ningún tipo de conocimiento previo acerca de los tres idiomas que se pueden aprender. Sven Behnke se basó únicamente en el signo de la pendiente (RProp) al entrenar su Neural Abstracción Pirámide para resolver problemas como la reconstrucción de la imagen y el rostro de localización.

Otros métodos utilizan pre-entrenamiento no supervisado para estructurar una red neuronal, por lo que es primero aprender detectores cuentan generalmente útiles. A continuación, se entrena la red aún más por propagación hacia atrás para clasificar los datos etiquetados. El profundo modelo de Hinton et al. (2006) implica el aprendizaje de la distribución de una representación de alto nivel de uso de capas sucesivas de variables latentes binarios. Sin embargo, también se pueden utilizar las variables de valores reales. El enfoque de Hinton et al. utiliza una máquina de Boltzmann restringida (Smolensky, 1986) para modelar cada nueva capa de funciones de nivel superior. Cada nueva capa garantiza un aumento en el límite inferior de la probabilidad de registro de los datos, lo que mejora el modelo, si está entrenado adecuadamente. Una vez lo suficientemente numerosas capas se han aprendido la arquitectura profunda puede ser utilizado como un modelo generativo mediante la reproducción de los datos de la toma de muestras por el modelo (un "pase ancestral") desde el nivel superior incluyen activaciones. Informa de Hinton que sus modelos son eficaces extractores de características más, los datos estructurados de grandes dimensiones.

El equipo de Google cerebro dirigido por Andrew Ng y Jeff Dean creó una red neuronal que aprende a reconocer conceptos de alto nivel, como los gatos, sólo de ver las imágenes sin etiquetas tomadas de los videos de YouTube.

Otros métodos se basan en la capacidad de procesamiento de los ordenadores modernos, en particular, las GPU. En 2010 se demostró por Dan Ciresan y colegas en el Swiss laboratorio de IA IDSIA que a pesar de la mencionada "problema gradiente de fuga," el poder de procesamiento superior de las GPU hace claro de propagación hacia atrás factible para redes neuronales feedforward profundas con muchas capas. El método superó a todas las demás técnicas de aprendizaje automático en el viejo, famoso MNIST manuscrita problema dígitos de Yann LeCun y sus colegas de la NYU.

A partir de 2012, el estado de la técnica en lo profundo de aprendizaje feedforward redes suplentes capas y capas convolucionales max-pooling [clarifique], coronado por varias capas de clasificación puras. Desde 2011, las implementaciones basadas en la GPU de este enfoque ganó muchos concursos de reconocimiento de patrones, incluyendo el 2011 Traffic Sign Recognition Competición IJCNN, la ISBI 2012 Segmentación de estructuras neuronales en EM pilas desafío, y otros.

Tales métodos de aprendizaje profundas supervisadas también fueron los primeros reconocedores de patrones artificiales para lograr el rendimiento humano a la competencia en ciertas tareas.

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Aprendizaje profundo y el cerebro humano.

Aprendizaje profundo Computacional está estrechamente relacionado con una clase de teorías del cerebro (específicamente neocortical) el desarrollo propuesto por los neurocientíficos cognitivos en la década de 1990. El resumen más accesible de este trabajo es Elman, et al 's 1996 libro "Repensar lo innato" (ver también: Shrager y Johnson, 1996; Cuarzo y Sejnowski, 1997). A medida que estas teorías también se crea una instancia en modelos computacionales, que son de carácter técnico predecesores de los modelos de aprendizaje puramente profundas computacionalmente-motivados. Estos modelos comparten la interesante propiedad de que diversas dinámicas de

aprendizaje propuestos en el cerebro (por ejemplo, una ola de factor de crecimiento neurotrófico) conspiran para apoyar la auto-organización de la clase de redes neuronales interrelacionados utilizados en el posterior aprendizaje profundo, puramente computacional modelos, y que parecen ser análoga a una manera de entender el neocórtex del cerebro como una jerarquía de filtros, donde cada capa de captura parte de la información en el entorno operativo, y luego pasa el resto, así como la señal de base modificada, a otras capas más arriba en la jerarquía. El resultado de este proceso es una pila de auto-organización de los transductores, bien sintonizado a su entorno operativo. Como se describe en el New York Times en 1995: "... el cerebro del niño parece organizarse bajo la influencia de las ondas de los llamados factores tróficos-... las diferentes regiones del cerebro se conectan secuencialmente, con una capa de tejido maduración antes de que otro y así sucesivamente hasta que todo el cerebro es madura”.

La importancia del aprendizaje profundo con respecto a la evolución y desarrollo de la cognición humana no escapó a la atención de los investigadores. Uno de los aspectos del desarrollo humano que nos distingue de nuestros vecinos más cercanos de primates puede haber cambios en el calendario de desarrollo. Entre los primates, el cerebro humano sigue siendo relativamente plástico hasta tarde en el período posterior al parto, mientras que el cerebro de nuestros parientes más cercanos están más completamente formados por nacimiento. Por lo tanto, los seres humanos tienen un mayor acceso a las experiencias complejas que ofrece estar en el mundo durante el período más formativa del desarrollo del cerebro. Esto puede permitirnos a "sintonizar" a las cambiantes características del medio ambiente que otros animales, más limitados por la estructuración evolutiva de su cerebro, no sean capaces de tener en cuenta. En la medida en que estos cambios

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se reflejan en los cambios de tiempo similares en onda hipótesis del desarrollo cortical, también pueden conducir a cambios en la extracción de la información del ambiente de estímulo a principios de auto-organización del cerebro. Por supuesto, además de esta flexibilidad tiene un largo período de inmadurez, durante el cual dependemos de nuestros cuidadores y la comunidad, tanto para el apoyo y la formación. La teoría del aprendizaje profundo por lo tanto considera que la co-evolución de la cultura y el conocimiento como una condición fundamental de la evolución humana.

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Científicos de Princeton crean oreja biónica

Una de las partes más difíciles

de la integración de la

electrónica con el tejido

biológico es conseguir los

numerosos tejidos y materiales

que se funden. En un

laboratorio en Princeton,

Nueva Jersey científicos están

haciendo progresos en este

esfuerzo mediante la impresión

3D.

Según Michael McAlpine, profesor asistente de ingeniería mecánica y

aeroespacial de Princeton, "En general, hay desafíos mecánicos y térmicos con

interfaz materiales electrónicos con materiales biológicos." En el pasado, los

investigadores han intentado superar este obstáculo mediante la unión de una

pieza de la "semilla" del tejido a un componente electrónico.

Pero en el laboratorio de McAlpine, que la solución de un-artístico está siendo

desafiado con el nuevo estado de las técnicas más avanzadas. " [S] ur trabajo

sugiere un nuevo enfoque - para construir y hacer crecer la biología con la

electrónica de forma sinérgica y en un formato entrelazado 3D. "

Para hacer esto, el equipo de Princeton utiliza la impresión 3D para crear la

compleja topografía del oído humano con una matriz de hidrogel y las células de la

pantorrilla. Nano partículas de plata, que constituyen la estructura de la antena, se

han añadido a la forma del oído para crear un nuevo receptor de audio.  

En los últimos años, los investigadores de Princeton han realizado una serie de

avances en este campo y se encuentran ahora en el punto donde se puede

empezar a crear dispositivos que no sólo replican la forma y función del oído

humano, pero pueden ampliar sus habilidades de escuchar una gama más amplia

del espectro de audio.

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En un documento presentado recientemente a la revista Nano Letters , el grupo

escribió: "" El diseño y la implementación de los órganos y los dispositivos biónicos

que mejoran las capacidades humanas, conocidas como la cibernética, ha sido un

área de creciente interés científico ... Este campo tiene el potencial de generar

piezas de repuesto a medida para el cuerpo humano, o incluso crear los órganos

que contienen capacidades más allá de lo que la biología humana proporciona

normalmente ".

Aunque esta tecnología no estará disponible para los pacientes en el corto plazo,

McAlpine dijo que, en principio, el oído su equipo crearon podría ser usado para

reemplazar el oído y la audición de un ser humano.

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Conclusión.

La bioingeniería es ciencia que parte de la ramificación de otras ciencias como lo son la mecánica, la robótica, la informática, la biología, medicina é incluso la ecología todo esto para lograr avances en el conocimiento científico y el desarrollo de la tecnología.

Con el paso del tiempo ha ido evolucionando drásticamente, desde los primeros indicios como lo son las prótesis de madera que se usaban hace mas de 3000 años, hasta hoy en día que ya están en marcha los brazos robóticos que conectados a los nervios pueden dar al paciente la posibilidad de recuperar el tacto e incluso ser movida la prótesis por medio del pensamiento.

Como todo avance científico tiene sus detractores ya que para los más moralistas o religiosos todos estos avances es jugar a ser Dios sin embargo hay que tomar en cuenta los grandes beneficios que trae esta ciencia a la humanidad en todos los ámbitos y en la vida diaria un ejemplo de ello es algo que todos usamos como son lo “Tenis” el desarrollo en este producto a evolucionado constantemente para lograr cada vez una mayor ergonomía para que el propietario de ellos pueda desenvolverse de lo mejor tanto en la vida diaria como en competiciones deportivas.

Además de la ayuda en el campo alimentario por medio de alimentos transgénicos que cada vez son más seguros y eficientes.

En conclusión la bioingeniería es una de las ciencias que más ha aportado en los últimos años a la sociedad y a la vez es de las aéreas que mayor futuro tienen ya que siempre habrá la necesidad de acoplar tecnología a nuestra vida diaria.

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Bibliografía.

Libro: Biotechnology for biomedical engineers https://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_biom%C3%A9dica Libro introducción a la bioingeniería http://www.darpa.mil/ http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93rgano_artificial http://www.bioingenieros.com/historia.asp

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