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Interfaces cerebrales menos invasivas
Utilizando la actividad neuronal registrada de una hoja de electrodos colocados directamente sobre la superficie del cerebro de un paciente, los científicos pueden predecir el movimiento de los dedos, así como también cuál de los varios sonidos está imaginando el paciente. Eventualmente, los investigadores esperan usar los hallazgos para desarrollar prótesis neuronales intuitivas, como una mano robótica que mueve sus dedos con el mínimo esfuerzo mental que se necesita para mover los reales, o una interfaz de computadora que detecta palabras imaginadas. Para hacer realidad esta visión, los científicos también están desarrollando tecnología más pequeña y flexible, que podría implantarse más fácilmente y hacer un mejor contacto con el cerebro. Los detalles de la última tecnología de interfaz cerebro-computadora se presentaron esta semana en la conferencia de la Sociedad de Neurociencias en Washington, DC.
Estimulando el cerebro: Los cirujanos utilizan la electrocorticografía (ECoG), que consiste en colocar una hoja de electrodos en la superficie del cerebro para registrar la actividad eléctrica, para mapear el origen de las convulsiones en pacientes con epilepsia. Aquí se muestra una radiografía del cerebro con una superposición que revela la ubicación de cada electrodo.
Podría crear la base para una interfaz cerebro-computadora que sea muy intuitiva y una plataforma de grabación que sea muy robusta, dice Gerwin Schalk , científico investigador del Wadsworth Center, en Albany, Nueva York, que dirigió uno de los proyectos.
Schalk y sus colegas estudiaron a pacientes con epilepsia sometidos a un procedimiento conocido como electrocorticografía (ECoG), en el que se coloca una matriz plana de electrodos sobre una sección expuesta de la corteza para registrar la actividad eléctrica. Normalmente, los cirujanos utilizan esta información para identificar el origen de las convulsiones y trazar un mapa de la ubicación de funciones cerebrales específicas, que deben evitarse durante la cirugía. La técnica genera una mejor resolución espacial que la electroencefalografía (EEG), un enfoque no invasivo que registra la actividad a través del cuero cabelludo. ECoG ahora se está explorando para su uso en interfaces cerebro-computadora. Hay un interés creciente en el uso de señales de ECoG porque nada penetra en el cerebro y eso atrae a las personas más que los electrodos penetrantes, dice Marc Schieber , médico y científico de la Facultad de Medicina de la Universidad de Rochester, que no participó en la investigación.
Schalk y sus colaboradores registraron la actividad eléctrica de la corteza motora y el área de Broca, una parte del cerebro involucrada en el habla, en cinco pacientes mientras movían sus manos y dedos de maneras específicas y vocalizaban o imaginaban sonidos específicos. Luego, los investigadores utilizaron algoritmos especialmente desarrollados para buscar patrones relacionados con cierto movimiento o sonido en la actividad neuronal. Podemos decirle cómo están flexionando cada uno de sus dedos, dice Schalk. Además, los investigadores pudieron determinar en tiempo real cuál de dos sonidos estaba imaginando un paciente. Este tipo de información podría usarse para controlar una interfaz cerebro-computadora, proporcionando un salvavidas para personas con parálisis severa, como la asociada con la etapa final. la esclerosis lateral amiotrófica , una enfermedad neurodegenerativa o síndrome de enclaustramiento, el resultado de un tipo específico de accidente cerebrovascular que deja al paciente incapaz de moverse o comunicarse.
Si está paralizado y no puede hablar, pero su corteza todavía está bien, la capacidad de transmitir algunas palabras como 'sí' o 'no', 'comida' y 'agua', podría ser muy útil, dice Schieber. Pero la pregunta es, ¿seremos capaces de decodificar todos los fonemas del lenguaje humano a partir de señales ECoG? ¿Puede obtener suficiente información específica para distinguir diferentes tipos de agarre, como un pellizco frente a cómo sostiene un martillo?
Para utilizar la información para controlar una prótesis o una computadora, los científicos también deberán poder extraer la información relevante en tiempo real. (En el proyecto actual, el análisis se realizó después de la grabación neuronal).
Schalk y otros están estudiando ECoG como una posible alternativa a los electrodos implantados en el tejido cerebral. Los científicos han hecho un rápido progreso utilizando este último como una interfaz para dispositivos protésicos, demostrando recientemente que los monos pueden alimentarse con un brazo robótico controlado por una interfaz cerebro-computadora, y los pacientes paralizados pueden mover un cursor en una pantalla de computadora usando un equipo similar. Todavía no está claro que ECoG, que registra la actividad eléctrica extracelular y, por lo tanto, promedia la información proveniente de diferentes células, pueda proporcionar la misma precisión que los electrodos implantados, que registran la actividad de las células individuales. En cuanto al control de las extremidades, creo que será algo básico, dice Andrew Schwartz , neurocientífico de la Universidad de Pittsburgh.
Sin embargo, ECoG posee algunas ventajas significativas. Con los electrodos implantados, la calidad de las señales grabadas se degrada con el tiempo y los electrodos rígidos a veces pueden moverse dentro del cerebro blando, lo que requiere una recalibración del sistema. Los dispositivos de ECoG son menos sensibles al movimiento. Y debido a que se encuentran en la superficie del cerebro, pueden ser menos susceptibles a la reacción inmunológica que se cree que daña los electrodos implantados. Es más probable que los electrodos de superficie sean aptos para un uso prolongado, dice Schalk.
Los dispositivos ECoG miniaturizados ahora en desarrollo pueden hacer que esta tecnología sea aún más atractiva. Con el procedimiento actual, un cirujano debe extraer una gran parte del cráneo para insertar la matriz de electrodos. Pero Justin Williams, un ingeniero biológico de la Universidad de Wisconsin-Madison, está desarrollando un dispositivo de ECoG en miniatura que podría introducirse a través de un pequeño orificio en el cráneo y luego desplegarse para cubrir un área más grande de la superficie cortical. Hecho de alambres de platino incrustados en un polímero flexible llamado poliimida, que se usa con frecuencia en electrónica, la matriz de electrodos es flexible y se adhiere al cerebro húmedo. Eso significa que se mueve a medida que el cerebro se mueve, capturando una mejor señal. Actúa como envoltura de Saran en un molde de gelatina, dice Williams.