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El gobierno busca una interfaz cerebro-computadora de alta fidelidad
Konrad Kording ha visto el futuro de la neurociencia y lo encuentra deprimente.
Hace unos años, Kording, un científico de datos de la Universidad Northwestern interesado en la neurociencia, decidió examinar cuántas neuronas los científicos habían registrado simultáneamente en el cerebro de un animal vivo. Registrar el parloteo eléctrico de las neuronas es algo que necesitaremos hacer mucho más si queremos comprender la conciencia o desarrollar formas de restaurar el movimiento a las personas paralizadas.
El resultado fue un 2011 Neurociencia de la naturaleza artículo que detalla la ley de Stevenson, llamada así por el estudiante graduado y primer autor Ian Stevenson. De manera similar a la ley de Moore, que predice una duplicación de la potencia informática cada dos años, la ley de Stevenson también documentó un crecimiento exponencial en la cantidad de neuronas que los científicos han podido registrar al mismo tiempo. Sin embargo, mientras todos están contentos e impresionados con la ley de Moore, Kording dice que todos en neurociencia quieren ver morir la ley de Stevenson.
Una imagen microscópica de los sensores de calcio (verde), los núcleos de las neuronas (rojo) y las células de apoyo llamadas astrocitos.
La razón es que cada uno de nosotros tiene aproximadamente 80 mil millones de neuronas en nuestro cerebro. Sin embargo, lo que mostraron los datos es que desde la década de 1920, cuando los científicos escucharon por primera vez los picos eléctricos de una sola neurona, duplicaron el número solo cada siete años, a alrededor de 500 a la vez. A este ritmo, dice Kording, todos estaremos muertos antes de que podamos registrar siquiera una parte del cerebro de un ratón. Eso no es cool.
Esta semana, decenas de neurocientíficos se dirigirán a Arlington, Virginia, para discutir cómo podrían romper la ley de Stevenson. El sorteo es un simposio que explica los requisitos para un nuevo programa del Departamento de Defensa llamado Diseño de Sistemas de Ingeniería Neural, que repartirá $60 millones como parte de la Iniciativa BRAIN del presidente Obama. El objetivo: desarrollar tecnologías capaces de registrar desde un millón de neuronas simultáneamente en sólo cuatro años.
Pero eso es solo un comienzo. DARPA, la agencia que administra el programa, también quiere un dispositivo que pueda estimular al menos 100.000 neuronas en el cerebro. Debe ser inalámbrico, y cualquier dispositivo electrónico debe caber en un paquete no mucho más grande que una moneda de cinco centavos. Finalmente, se espera que los investigadores cumplan con los requisitos de seguridad necesarios para llevar a cabo estudios en sujetos humanos, algo que requiere una exención de dispositivo de investigación de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU.
Michael Roukes, profesor de física y bioingeniería en Caltech, llama al marco de tiempo extremadamente agresivo. La tendencia de la agencia de establecer objetivos ambiciosos que no siempre se cumplen se conoce como locura DARPA.
Pero entiendo el modelo, dice. Hagamos un tiro a la luna, ¿verdad?
El objetivo del proyecto no sorprende a Roukes. El objetivo declarado de la Iniciativa BRAIN (ver Por qué es importante el proyecto de mapeo cerebral de Obama) es desarrollar formas de leer y escribir para los conjuntos a gran escala de células cerebrales que componen los circuitos del cerebro y trabajan juntas para permitirnos percibir y reaccionar ante el mundo. Para hacerlo, está claro que el hardware de la neurociencia necesita una actualización importante.
Lo más importante es desarrollar la tecnología para tomar un circuito neuronal completo, digamos el cerebro de un animal pequeño o un trozo de corteza de un ratón o un ser humano, y registrar cada neurona allí, dice Rafael Yuste, neurocientífico de la Universidad de Columbia. Yuste dice que la mayoría de los científicos todavía usan grabaciones en las que las personas colocan estos electrodos y registran la actividad de una neurona en un animal o un paciente. Imagínese que está tratando de analizar una orquesta [escuchando] lo que está tocando un solo instrumento.
Los registros de grabación actuales están en manos de equipos que intentan desarrollar interfaces cerebro-máquina para personas paralizadas, una tecnología que también interesa a DARPA. Equipos de la Universidad de Brown y la Universidad de Pittsburgh, entre otros lugares, lograron usar conjuntos de agujas afiladas de silicio para registrar entre 200 y 300 neuronas a la vez dentro de los cerebros de los voluntarios. Eso es suficiente para leer la mente de forma aproximada en qué movimientos de brazo y mano está pensando una persona, y usar la señal para mover un brazo robótico (ver El experimento mental) o dirigir una silla de ruedas.
Hoy en día se ven brazos robóticos moviéndose, dice Jonathan Wolpaw, experto en interfaces cerebro-computadora del Centro Wadsworth del Departamento de Salud de Nueva York. Pero no son nada que esté ni cerca de estar listo para ser sacado del laboratorio. No hay una BCI que ahora quiera usar para controlar una silla de ruedas al borde de un acantilado o para conducir en tráfico pesado.
Una de las razones por las que los neurocientíficos están seguros de que conjuntos más grandes de neuronas contienen respuestas es que la neurona promedio aumenta, como máximo, un par de veces por segundo. Sin embargo, el movimiento se basa en ajustes que ocurren en una escala de tiempo que es al menos 10 veces más rápida. Eso significa que una sola neurona no puede contener la información necesaria para codificar las complejidades de un movimiento de baile o tocar el piano. El movimiento se distribuye en muchos millones de neuronas en múltiples áreas del cerebro, dice Kording. En mi opinión, necesitamos al menos 1000 veces más neuronas para un dispositivo protésico increíble.
Una estrategia para llegar allí es reducir el tamaño de los electrodos para que los bioingenieros puedan meter más de ellos en el cerebro a la vez. Ese enfoque se está adoptando en la Universidad de Duke, dice Mikhail A. Lebedev, científico investigador senior en un grupo que actualmente reclama varios registros de registro neuronal en monos, leyendo alrededor de 500 neuronas a la vez, lo que logró mediante la inserción minuciosa de haces de electrodos delgados. en el cerebro de un mono.
Otros piensan que se necesitan enfoques completamente nuevos. En la Universidad de California, Berkeley, los investigadores están explorando el polvo neuronal que consiste en sensores microscópicos que flotan libremente y que podrían esparcirse por el cerebro. Las técnicas ópticas también son prometedoras. En 2013, Misha Ahrens, neurocientífica del campus de Janelia Farms del Instituto Médico Howard Hughes, demostró que podía registrar 100 000 neuronas (prácticamente todo el cerebro de un pez cebra) modificándolas genéticamente para que brillaran después de dispararse. Ahrens dice que ver tantas neuronas a la vez ya está generando algunas sorpresas. Puede encontrar áreas que son pertinentes para el comportamiento en las que de otro modo no buscaría, dice.
El logro de Ahrens no cuenta para el objetivo de DARPA, ni para descifrar la ley de Stevenson, porque su método no detecta los picos eléctricos de las neuronas exactamente cuando ocurren. Esto se debe a que las moléculas brillantes se desencadenan por cambios en las concentraciones de calcio que ocurren dentro de una célula solo después de que se dispara. Roukes, el científico de Caltech, dice que los investigadores ya están trabajando para desarrollar moléculas fluorescentes que respondan directamente a los cambios de voltaje.
Un problema diferente es que, a diferencia de un pez cebra, que es básicamente translúcido, el cerebro humano tiene una consistencia lechosa que es difícil de ver. Para lidiar con eso, dice Roukes, es posible deslizar vástagos de silicio ultra-estrechos por todo el cerebro. Estos contendrían el hardware necesario para emitir luz y detectarla desde las células cercanas, solucionando el problema de la opacidad del cerebro. Si se usaran suficientes de estos pilares, se podría iluminar todo el cerebro, calcula Roukes.
Aunque las técnicas ópticas son prometedoras, la FDA podría ser reacia a permitir que los científicos modifiquen genéticamente los cerebros de los voluntarios para que brillen. Roukes dice que, como resultado, él y sus colaboradores planean presentar a DARPA una propuesta más convencional que todavía se basa en electrodos más convencionales.
DARPA tiene razones para insistir en que se pruebe cualquier esquema de grabación en humanos. La agencia espera que el objetivo atraiga el interés de las empresas de dispositivos médicos, así como de los fabricantes de semiconductores e instrumentos ópticos. Sin la participación de la industria, hay pocas posibilidades de que las interfaces cerebro-máquina mejoren tan rápido como lo han hecho las computadoras.
Al tratar de llevar esto a los humanos, es posible que puedan obtener algunos elementos tecnológicos que no se han utilizado en los experimentos con animales porque no ha habido un impulso económico tan grande para ello, dice Adam Marblestone, neurocientífico del MIT. . Espera ver algo de ingeniería realmente serio que falta en los experimentos académicos.