Conéctame: la física de las interfaces cerebro-computadora – Physics World

El cerebro humano es una pieza de maquinaria asombrosa y compleja. Con más de 80 mil millones de neuronas en la corteza cerebral humana, cada una con mil sinapsis, nuestro cerebro procesa unos 100 megabits de información por segundo. Imagínese entonces intentar medir, extraer e interpretar todas las señales de nuestro cerebro en tiempo real, a la velocidad del pensamiento. Acceder al cerebro podría haber estado alguna vez únicamente en el ámbito de la ciencia ficción – de X-Men a La matriz – pero hoy en día, es posible vincular tu cerebro a una computadora y controlar un brazo robótico, por ejemplo, o traducir tus pensamientos a texto.

Una interfaz cerebro-computadora (BCI) funciona como un puente entre el cerebro y un dispositivo externo, generalmente una computadora. Los BCI recopilan, analizan y traducen señales eléctricas de su cerebro en comandos que una computadora puede entender y ejecutar. También pueden aplicar señales externas para modular el cerebro. Gracias a una combinación de neurociencia, biomedicina, física y tecnología, las BCI pueden cambiar la vida de personas con enfermedades graves. También tienen aplicaciones en robótica, neurociencia, tecnología, juegos e informática.

Durante los últimos 25 años, las BCI han permitido que las personas paralizadas operar computadoras solo con el pensamiento. Ellos tienen habla restaurada después de su pérdida a causa de un derrame cerebral; han permitido a aquellos con desaparecidos o extremidades paralizadas para funcionar nuevamente o les ayudó a operar brazos robóticos y manos. Las BCI tienen epilepsia diagnosticada y otras afecciones neurológicas, y las mitigó en decenas de miles de personas. Incluso se han mostrado prometedores para devolver la vista a los ciegos.

Pero la mayoría de estos ejemplos requieren cirugía cerebral, en la que se colocan electrodos en la capa superficial del cerebro (la corteza) y potencialmente incluso más profundamente, lo cual es riesgoso ya que podría inducir hemorragias o infecciones. Otro problema es que los investigadores actualmente no tienen una idea clara del impacto y el daño potencial que los electrodos implantados podrían causar en el tejido cerebral, y tampoco saben cuánto tiempo pueden durar. Todo esto significa que los implantes eléctricos en su estado actual no pueden ayudar de manera segura y confiable a los millones de personas que se beneficiarían de ellos. De hecho, las implantaciones humanas se llevan a cabo sólo cuando todos los demás tratamientos fallan, o con carácter experimental (para unas 50 personas en todo el mundo con limitaciones graves, como parálisis), donde la posibilidad de mejorar una mala calidad de vida supera los peligros.

Afortunadamente, las soluciones a algunos de estos problemas pueden residir en principios y métodos físicos, que podrían hacer que estos dispositivos sean más seguros, más duraderos y más ampliamente disponibles. La física también podría utilizarse para mejorar los métodos y materiales de implantación de BCI. Sin embargo, lo más crucial es la necesidad de eliminar o minimizar la cirugía cerebral proporcionando formas de interactuar con el cerebro a través de luz, campos magnéticos o ultrasonido. Las BCI no invasivas, inalámbricas y portátiles o portátiles podrían mejorar la investigación del cerebro y el tratamiento médico, y también utilizarse en la vida diaria.

Toca con un pensamiento

Desde la antigüedad hasta el siglo XIX, médicos y experimentadores, a menudo sin saberlo, llevaron a cabo diversos experimentos rudimentarios en los que intentaron modificar la actividad eléctrica del cerebro para el tratamiento médico. En 19, estos esfuerzos se volvieron rigurosos cuando el psiquiatra alemán Hans Berger registró la actividad eléctrica del cerebro mediante electrodos colocados en el cráneo de un paciente, inventando así la técnica de la electroencefalografía (EEG). En la década de 1924, el físico e informático Jacques Vidal demostró el control mental de un dispositivo externo, mientras sujetos humanos equipados con contactos EEG movían mentalmente un cursor mostrado en una pantalla de computadora.

El EEG sigue siendo una valiosa herramienta no invasiva para diagnosticar afecciones como la epilepsia, lo que nos permite determinar la causa y el tipo de convulsiones que podría estar sufriendo un paciente, así como investigar otras afecciones como la demencia, los tumores cerebrales y las conmociones cerebrales. Pero un EEG toma muestras de grandes grupos de neuronas y la relación señal-ruido es deficiente, lo que dificulta la correlación de las señales con actividades cerebrales específicas.

Los electrodos implantados, por otro lado, toman muestras directamente de neuronas seleccionadas. Esto se demostró experimentalmente en 1998, cuando el neurólogo Philip Kennedy, radicado en Atlanta, colocó electrodos diseñados a medida en el cerebro de un paciente apodado "JR", que había quedado "bloqueado" por un derrame cerebral (Traducción IEEE. Rehabilitación. ing. 8 198). El desafortunado paciente estaba en posesión de todas sus capacidades cognitivas, pero no podía moverse ni hablar. Con el tiempo, JR aprendió a comunicarse controlando mentalmente el cursor de una computadora para deletrear palabras.

Ahora muchos investigadores y médicos utilizan una matriz de electrodos implantados, conocida como “Utah Array” de Blackrock Neurotech. Este producto de silicio personalizado es una matriz de 100 pElectrodos de silicio tipo (en una configuración de 10 × 10), espaciados a 400 µm sobre un sustrato aislante de 4 × 4 mm, aproximadamente del tamaño de un grano de pimienta. Los electrodos, de 0.5 a 1.5 mm de largo, están rematados con platino u óxido de iridio. Unas 30 personas en todo el mundo, que padecen diferentes síntomas de parálisis, han sido equipadas con estos dispositivos. Por ejemplo, en 2015 se implantaron cuatro matrices en nathan copeland, que quedó paralizado del pecho hacia abajo tras un accidente automovilístico en 2004. Los implantes le permiten controlar una computadora, jugar videojuegos y controlar un brazo robótico, con sus pensamientos. En el momento de escribir este artículo, Copeland es el paciente que lleva más tiempo con un implante de este tipo, pero las implicaciones verdaderamente a largo plazo de esta tecnología invasiva no se comprenden completamente.

Reducir la invasividad

El problema con un electrodo o cualquier otro implante artificial en el cerebro es que puede desencadenar una respuesta inmune, que inflama y cicatriza el tejido cercano. Esto se ve agravado por el desajuste mecánico entre un electrodo rígido y el tejido blando del cerebro, lo que a su vez también puede degradar el rendimiento del electrodo.

Encontrar materiales duraderos y biocompatibles con propiedades eléctricas adecuadas para electrodos y sustratos es un desafío para la física y la ciencia de materiales

Pero encontrar materiales duraderos y biocompatibles con propiedades eléctricas adecuadas para electrodos y sustratos es un desafío para la física y la ciencia de materiales. Los candidatos prometedores incluyen polímeros conductores blandos y flexibles, así como conductores eléctricos extremadamente delgados, como nanotubos de carbono y nanocables de silicio (para conocer otro enfoque, consulte el cuadro a continuación).

Los investigadores también están trabajando para reducir los riesgos quirúrgicos adaptando las tecnologías médicas existentes. Los stents (pequeños cilindros huecos) se utilizan comúnmente para mantener abiertos varios tipos de vasos en el cuerpo. En un uso común, mantienen abiertas las arterias coronarias y se consideran mínimamente invasivos. La empresa de neurotecnología Synchron ha desarrollado “stentrodes” (matriz de grabación de stent-electrodo). Son electrodos montados en un stent que se implanta permanentemente en un vaso sanguíneo del cerebro. Pueden detectar señales cerebrales y enviarlas de forma inalámbrica a una computadora. En ensayos en humanos, los estetrodos han permitido a sujetos paralizados operar computadoras (J. NeuroIntervención. Cirugía. 13 102).

Utilizando un enfoque diferente, la firma estadounidense Neuralink anunció en 2019 que había desarrollado un BCI que un robot quirúrgico implantaría a ras del cráneo, que también colocaría 1024 o más electrodos flexibles en el cerebro (J. Med. Resolución de Internet. 21 e16194). Neuralink, cofundada por Elon Musk, no ha publicado más detalles desde entonces, pero después de su reciente aprobación por parte de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) para ensayos en humanos, es posible que haya más información próximamente. Independientemente de su forma, las BCI basadas en electrodos seguirán siendo importantes debido a su alta resolución espacial y rápida respuesta, pero también se están desarrollando rápidamente enfoques no invasivos.

Los fotones sondean el cerebro

En el espectro electromagnético, la luz del infrarrojo cercano (NIR), que va de 700 a 1400 nm, puede atravesar el cráneo y penetrar el cerebro a centímetros de profundidad, sin causar daño, siempre que la densidad de potencia se mantenga en milivatios por centímetro cuadrado. Un método NIR no invasivo denominado "fotobiomodulación" ha demostrado que puede estimular el cerebro. Por ejemplo, en un ensayo clínico realizado en 2021, pacientes con demencia fueron expuestos repetidamente a LED que emitían luz a 1060-1080 nm. Este grupo mostró mejoras notables en la función cognitiva y el estado de ánimo subjetivo en comparación con un grupo de control (enfermedad del envejecimiento. 12 954). Se cree que la luz mejora la función celular o reduce la inflamación, pero se necesita más investigación para establecer el mecanismo exacto.

Un segundo método no invasivo, conocido como “espectroscopia funcional de infrarrojo cercano” (fNIRS), utiliza luz NIR para medir las variaciones en la luz absorbida por la hemoglobina en la sangre que circula en el cerebro. La técnica puede mapear la actividad cerebral porque la hemoglobina desoxigenada absorbe la luz NIR de manera diferente a la forma oxigenada, HbO.₂. Las neuronas activas necesitan un mayor flujo de HbO₂-Sangre enriquecida, que permite detectar la función cerebral. Se aplican dos longitudes de onda al cráneo y una medición de sus diferentes atenuaciones en sitios específicos puede mostrar qué áreas están activas. fNIRS se ha utilizado en la clínica, y la empresa estadounidense de neurotecnología Kernel está desarrollando una versión de auriculares portátiles. Cubre el cráneo con 52 módulos, cada uno con fuentes láser que emiten a 690 nm y 850 nm y un detector (J. Biomédica. Optar. 27 074710). En 2021, la FDA aprobó el dispositivo para probar la respuesta del cerebro a una droga psicodélica.

Aunque el flujo sanguíneo oxigenado tarda unos segundos en desarrollarse (lo que hace que el fNIRS sea demasiado lento para controlar un dispositivo externo), ofrece una resolución espacial más alta y una mejor relación señal-ruido que el EEG, lo que significa que puede identificar la actividad cerebral con mayor precisión. Un auricular fNIRS podría medir la actividad cerebral incluso en un sujeto que se mueve libremente, lo que permitiría mapear el cerebro y diagnosticar condiciones neuronales en diferentes condiciones.

Se pueden obtener respuestas más rápidas con otro método, conocido como “señal óptica relacionada con eventos” (EROS), que utiliza luz infrarroja para medir cambios en las propiedades ópticas del tejido cerebral cortical. La interacción de la luz con el tejido neural cambia cuando las neuronas están activas porque eso aumenta la dispersión óptica, alargando los caminos de los fotones que atraviesan el cerebro y retrasando su llegada a un detector.

En los primeros experimentos con seres humanos, la luz NIR aplicada a través de fibras ópticas penetraba en el cráneo y se detectaba a corta distancia, con un retraso de 0.1 s o menos después de que las neuronas se habían excitado. El trabajo adicional ha sido limitado porque estas mediciones son técnicamente exigentes, pero resultados recientes sugieren que EROS combinado con fNIRS podría formar la base para BCI no invasivos con buena resolución espacial y temporal.

El cerebro magnético

Otro método no invasivo establecido para rastrear la actividad neuronal del cerebro es la "resonancia magnética funcional" (fMRI). La resonancia magnética estándar detecta el comportamiento de los protones en el agua y la grasa del cuerpo, dentro de un fuerte campo magnético, para obtener imágenes de las estructuras corporales. resonancia magnética funcional en lugar detecta señales del flujo sanguíneo en el cerebro que, como se mencionó, dependen del nivel de oxigenación de la hemoglobina. Al igual que fNIRS, esto permite que la fMRI marque regiones de actividad neuronal pero con una resolución espacial de 1 mm en lugar de 1 cm. El desfase de tiempo de segundos permite mapear casi en tiempo real, pero aún es demasiado lento para el control cerebral de dispositivos externos. La fMRI también requiere una instalación grande y costosa con un imán superconductor.

Los tiempos de respuesta más rápidos se obtienen con la “magnetoencefalografía” (MEG) no invasiva, que rastrea la actividad neuronal mediante la detección de la femtotesla (10^-15 Tesla) campos magnéticos que se generan cuando las corrientes iónicas fluyen entre las neuronas activas. Estos campos se miden mediante dispositivos sensibles de interferencia cuántica superconductora (SQUID) colocados cerca del cuero cabelludo, dentro de una habitación blindada para evitar interferencias magnéticas. MEG proporciona una resolución espacial de 1 a 2 mm y un tiempo de respuesta de milisegundos, pero requiere un dispositivo voluminoso con altos costos operativos.

Un nuevo tipo de detector, el “magnetómetro bombeado ópticamente” (OPM), mejora la MEG midiendo el campo magnético del cerebro a temperatura ambiente. OPM utiliza una pequeña celda llena de vapor de un átomo alcalino. Un diodo láser sintonizado con una transición cuántica específica bombea ópticamente el vapor, que alinea los momentos magnéticos atómicos. Esta magnetización interactúa con el campo magnético del cerebro para cambiar la opacidad del vapor determinada por un detector, lo que permite medir el campo magnético.

La física cuántica da un impulso a los escáneres MEG con detección cerebral

A principios de este año, una empresa con sede en el Reino Unido Cerca magnéticos ganó un premio en innovación cuántica por el desarrollo de su Escáner cerebral portátil OPM-MEG. Se compone de 50 unidades del tamaño de bloques LEGO montadas en un casco que cubre toda la cabeza para cubrir el cerebro. El prototipo portátil OPM-MEG BCI permite el diagnóstico neuronal cuando el sujeto se mueve. Con sus altas resoluciones espaciales y temporales, posiblemente podría controlar dispositivos externos.

Escuchando al cerebro

La tecnología de ultrasonido se utiliza ampliamente como método portátil no invasivo para obtener imágenes de estructuras corporales, incluidos los glóbulos rojos, ya que reflejan ondas sonoras de alta frecuencia. En la última década, la tecnología se ha desarrollado hasta el punto de que la “ecografía funcional rápida” (fUS, por sus siglas en inglés) puede utilizar mediciones Doppler del flujo sanguíneo del cerebro para identificar neuronas activas. En fUS, las sondas generan ondas planas ultrasónicas y recopilan datos a través de cientos de canales. Luego, una computadora enfoca sintéticamente las ondas y analiza los datos para producir rápidamente imágenes de alta resolución de la función cerebral. Los estudios en primates no humanos muestran que el fUS que opera a través de un puerto mínimamente invasivo en el cráneo podría respaldar un BCI que rastrea los impulsos neuronales que representan el movimiento corporal (Neurociencia 474 110).

El ultrasonido también sirve en la estimulación ultrasónica transcraneal (TUS), un método para modular el comportamiento neuronal que puede dirigirse a unos pocos milímetros cúbicos dentro del cerebro. Después de extensos estudios en animales, algunos ensayos en humanos sugieren que la TUS puede tratar enfermedades neurológicas o Problemas psiquiátricos como dolor y depresión..

El futuro de las BCI no invasivas

Complementando y quizás algún día reemplazando a los implantes, otros métodos físicos pueden acceder al cerebro con una invasión mínima, permitiendo un uso médico más seguro, más barato y más amplio de las BCI. Andrew Jackson, físico convertido en neurocientífico de la Universidad de Newcastle (Reino Unido), dice que, cuando se trata de registrar el cerebro, la tecnología más interesante en este momento es el OPM-MEG portátil. "¡También es una física interesante!" añade, destacando el valor de la ecografía para la estimulación cerebral. Jackson advierte, sin embargo, que ninguna de estas tecnologías no invasivas tiene todavía la resolución espacial que se puede obtener con los implantes. Queda mucho por hacer para el uso clínico, y quizás más allá.

Si las BCI no invasivas eliminan el riesgo quirúrgico, las personas sanas podrían sentirse motivadas a utilizarlas para un aumento mental real o percibido. El destacado neurocientífico Kristof Koch ha relatado lo “maravilloso” que sería tener una BCI segura que vincule los cerebros a las computadoras para que las personas puedan descargar información directamente a sus cerebros.

En 2021 puesta en marcha de San Francisco Portal de la mente recaudó 5 millones de dólares para desarrollar una diadema para el control mental de un juego de realidad virtual. Utiliza tecnología patentada, quizás un método NIR rápido. En otra aplicación, los dispositivos de estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS) están disponibles a precios modestos. Estos aplican corrientes eléctricas de miliamperios al cráneo que supuestamente mejoran la cognición.

Al ver el auge de la neurotecnología de consumo, los neuroeticistas señalan el daño que podría producirse sin una supervisión y regulación efectivas, que también deberían considerar cuestiones como la privacidad y el control mental. Al desarrollar BCI no invasivos, los investigadores están avanzando enormemente en la investigación y el tratamiento del cerebro, ayudando a restaurar la independencia de las personas con discapacidades graves. Al mismo tiempo, los investigadores deben ser conscientes de los numerosos dilemas éticos que plantean estos dispositivos, más allá del laboratorio y la clínica.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/