Interfaz cerebro-computadora – la nueva tecnología en aumento

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Leandro Castelluccio

(Imagen de portada tomada de: link)

Una interfaz cerebro-computadora o ICC es una vía de comunicación directa entre un cerebro mejorado o conectado y un dispositivo externo. Estos pueden ser invasivos en forma de electrodos implantados directamente en el cerebro o no invasivos a través de un EEG, por ejemplo, que lee las ondas cerebrales eléctricas en nuestro cuero cabelludo que se traducen en comandos que ejecuta un hardware y software externo.

Puede ver el siguiente video para una introducción sobre el tema: link

Como se muestra en el video, la ICC se puede utilizar para una variedad de cosas, como ayudar a las personas con discapacidades físicas a adaptarse mejor mediante el uso de una mano robótica controlada por la mente, o usa la ICC en juegos para ejecutar diferentes comandos, o para controlar otro hardware externo, como un avión no tripulado (consulte el siguiente video).

Aparte de estos ejemplos, la tecnología permite muchas aplicaciones en diferentes campos que aún no se han explorado.

Un desarrollo reciente en ICCha sido la creación de dispositivos EEG portátiles que se conectan a una computadora, tableta o teléfono inteligente a través de Bluetooth, como el que se vio en el video anterior, que realmente puede expandir el desarrollo de aplicaciones dada esta conectividad, como también el bajo costo que presentan, sumado a las cualidades no invasivas del dispositivo.

(Ejemplo de dispositivos EEG portátiles, de izquierda a derecha: EmotivInsight, NeuroskyMuse)

Uno de los elementos básicos del funcionamiento del cerebro reside en la sinapsis. Este es el punto donde las señales eléctricas de una neurona generan efectos eléctricos en otra. El inicio de un potencial de acción, por ejemplo, el que permite transmitir impulsos nerviosos y que es la base del funcionamiento cerebral a nivel de la neurona, requiere la apertura de canales de iones de sodio en el montículo del axón de la neurona. En este nivel, los fenómenos dependen de las propiedades físicas y químicas y de las características de las estructuras biológicas en juego. Para desencadenar un potencial de acción, se debe superar un cierto umbral de activación gracias a la acción de potenciales graduados que se agregan temporal y espacialmente, proporcionados por las conexiones con otras neuronas. Para que la actividad ocurra en estas últimas, deben ocurrir los mismos fenómenos (Kandel, Schwartz, & Jessel, 2001). Estos dispositivos EEG explotan esta propiedad eléctrica del cerebro. Las neuronas emiten señales eléctricas, que implica que el potencial (voltaje) a través de sus membranas celulares cambia cuando los canales de la membrana se abren y los iones bajan sus gradientes electroquímicos.

Sinapsis(imagen tomada de:link)

Existen diferentes formas de medir la actividad cerebral, todas pueden clasificarse según la resolución temporal, la resolución espacial y la invasividad:

(Figura adaptada de Churchland & Sejnowski, 1988)

El método clásico de monitoreo electrofisiológico registra la actividad eléctrica del cerebro, que es principalmente no invasivo, con electrodos colocados a lo largo del cuero cabelludo, aunque a veces se usan electrodos invasivos, como en la electrocorticografía. Asociados al uso de EEG, tenemos potenciales relacionados con eventos que investigan las fluctuaciones potenciales, el tiempo bloqueado a un evento como el inicio de estímulo o la pulsación de un botón. Además, el contenido espectral de EEG, que analiza el tipo de oscilaciones neuronales (popularmente llamadas “ondas cerebrales”) que se pueden observar en las señales de EEG en el dominio de la frecuencia.

El EEG refleja la actividad neural a gran escala, produciendo pequeños dipolos eléctricos que se transducen a través del cráneo. Sin embargo, esta actividad eléctrica es increíblemente pequeña y debe ser amplificada miles de veces.

Además del uso en investigación, el EEG se usa generalmente en contextos clínicos para aplicaciones de diagnóstico, como en el caso de la epilepsia, que causa anomalías en las lecturas de EEG. También en trastornos del sueño, profundidad de la anestesia, coma, encefalopatías y muerte cerebral. También es un método de diagnóstico de primera línea para tumores, accidentes cerebrovasculares y otros trastornos cerebrales focales, pero este uso ha disminuido con el advenimiento de las técnicas de imagen anatómica de alta resolución, como la resonancia magnética (RM) y la tomografía computarizada (TC).

A pesar de la resolución espacial limitada, el EEG sigue siendo una herramienta valiosa para la investigación y el diagnóstico. Es una de las pocas técnicas móviles disponibles y ofrece una resolución temporal de milisegundos que no es posible con TC, PET o RM. Los derivados de la técnica de EEG, como los potenciales evocados (PE), son útiles, lo que implica promediar el tiempo de la actividad del EEG con la presentación de un estímulo de algún tipo (visual, somatosensorial o auditivo). Los potenciales relacionados con eventos (ERP en inglés), por otro lado, se refieren a las respuestas promediadas del EEG que están limitadas en el tiempo a un procesamiento más complejo de los estímulos; esta técnica se utiliza en ciencia cognitiva, psicología cognitiva e investigación psicofisiológica. Los ERP se pueden recopilar a lo largo de la vida. Esto tiene implicaciones para obtener mediciones tempranas y objetivas en lugar de tardías y subjetivas de sensibilidad sensorial y cognitiva. Los participantes no tienen que estar escuchando activamente, por ejemplo, para grabar un ERP auditivo significativo. Esto tiene implicaciones para evaluar la actividad neuronal en el cerebro en reposo, el coma y otros estados similares. Los ERP auditivos (y visuales) también pueden evaluarse bajo diferentes condiciones de carga de tareas e intención. Esto podría ayudarnos a descubrir los procesos de memoria y atención. 

Los nuevos dispositivos portátiles suelen tener menos electrodos, pero tienen la ventaja de una configuración rápida, sin la necesidad de usar geles y estar en un laboratorio, son mucho más baratos, se pueden usar en diferentes escenarios y se conectan de forma inalámbrica a una computadora, por ejemplo. Algunos de estos dispositivos, como mencionamos anteriormente, son el EmotivNeuroskyMuse. El dispositivo de Muse, por ejemplo, se vende como una herramienta de meditación junto con una aplicación móvil que proporciona una retroalimentación auditiva del estado de ánimo de una persona, lo que nos da indicaciones de cuándo estamos tranquilos o mentalmente dispersos y más ansiosos.

(Un hombre usando Muse para meditación, imagen tomada de link)

Tras una revisión de la literatura académica reciente sobre el tema, se pueden encontrar múltiples estudios que validen el uso de los EEG portátil para diversos propósitos. Los avances recientes en el área incluyen la creación de Neuralink, una firma de electrodos cerebrales creada por el empresario Elon Musk, que busca desarrollar ICC. Además, Facebook ha comenzado recientemente a desarrollar en el área, centrándose en ICC para mecanografía y audición con la piel.Un área que está experimentando con ICC es la realidad virtual (RV), donde las personas están trabajando para controlar escenarios de RV con la mente. La precisión de estos dispositivos está creciendo, hasta el punto de que el EEG de bajo costo ahora se puede usar para reconstruir imágenes de lo que se ve.

Referencias

Churchland, P. S., & Sejnowski, T. J. (1988). Perspectives on cognitive neuroscience. Science242(4879), 741-745.

Kandel, E. R, Schwartz, J. H. & Jessel,T. M.(2001). Principios de Neurociencia. Madrid: McGraw-Hill.

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