por Shelly Fan
Gracias a los implantes neuronales, la lectura de la mente ya no es ciencia ficción .
Mientras escribo esta oración, un pequeño chip con conjuntos de electrodos podría asentarse en mi cerebro, escuchando el chisporroteo de mis neuronas mientras mis manos bailan sobre el teclado. Luego, algoritmos sofisticados podrían decodificar estas señales eléctricas en tiempo real. El lenguaje interno de mi cerebro para planificar y mover mis dedos podría usarse para guiar a una mano robótica para que haga lo mismo. Control de mente a máquina, ¡voilà!
Sin embargo, como su nombre lo indica, incluso el implante neural más avanzado tiene un problema: es un implante. Para que los electrodos lean de manera confiable la vibración eléctrica del cerebro, necesitan perforar su membrana protectora y penetrar en el tejido cerebral. Dejando a un lado el peligro de infección, con el tiempo, el daño se acumula alrededor de los electrodos, distorsionando sus señales o incluso inutilizándolos.
Ahora, los investigadores de Caltech han allanado el camino para leer el cerebro sin ningún contacto físico. La clave de su dispositivo es una superestrella relativamente nueva en neurociencia: el ultrasonido funcional, que usa ondas sonoras para capturar la actividad en el cerebro.
En los monos, la tecnología podía predecir de manera confiable el movimiento de sus ojos y los gestos de las manos después de una sola prueba, sin el largo proceso de entrenamiento habitual necesario para decodificar un movimiento. Si la adoptan los humanos, la nueva tecnología de lectura de mentes representa un triple triunfo: requiere una cirugía mínima y un aprendizaje mínimo, pero produce una resolución máxima para la decodificación del cerebro. Para las personas paralizadas, podría ser un cambio de paradigma en la forma en que controlan sus prótesis .
“Llevamos los límites de la neuroimagen por ultrasonido y nos emocionó que pudiera predecir el movimiento”, dijo el autor del estudio, el Dr. Sumner Norman.
Para el Dr. Krishna Shenoy de Stanford, que no participó, el estudio finalmente pondrá al ultrasonido “en el mapa como una técnica de interfaz cerebro-máquina. Agregar a este conjunto de herramientas es espectacular ” , dijo .
Rompiendo la barrera del sonido
Usar sonido para decodificar la actividad cerebral puede parecer absurdo, pero el ultrasonido ha tenido un gran éxito en la medicina. Probablemente hayas oído hablar de su uso más común: tomar fotografías de un feto durante el embarazo. La técnica utiliza un transductor, que emite pulsos de ultrasonido en el cuerpo y encuentra límites en la estructura del tejido al analizar las ondas sonoras que rebotan.
Hace aproximadamente una década, los neurocientíficos se dieron cuenta de que podían adaptar la tecnología para el escaneo cerebral. En lugar de medir directamente la vibración eléctrica del cerebro, analiza un sustituto: el flujo sanguíneo. Cuando ciertas regiones o circuitos del cerebro están activos, el cerebro requiere mucha más energía, que es proporcionada por un mayor flujo sanguíneo. De esta manera, la ecografía funcional funciona de manera similar a la resonancia magnética funcional, pero con una resolución mucho más alta, aproximadamente diez veces , dijeron los autores. Además, las personas no tienen que permanecer muy quietas en un imán claustrofóbico caro.
“Una pregunta clave en este trabajo fue: si tenemos una técnica como el ultrasonido funcional que nos brinda imágenes de alta resolución de la dinámica del flujo sanguíneo del cerebro en el espacio y en el tiempo, ¿hay suficiente información de esas imágenes para decodificar algo útil sobre el comportamiento? ” dijo el autor del estudio, el Dr. Mikhail Shapiro.
Hay muchas razones para dudar. Como el niño nuevo en la cuadra, el ultrasonido funcional tiene algunos inconvenientes conocidos. Uno importante: da una señal mucho menos directa que los electrodos. Estudios anteriores muestran que, con múltiples mediciones, puede proporcionar una imagen aproximada de la actividad cerebral. Pero, ¿es ese detalle suficiente para guiar una prótesis robótica?
Maravilla de una prueba
El nuevo estudio puso a prueba al ultrasonido funcional: ¿podría detectar de manera confiable la intención de movimiento en los monos? Debido a que sus cerebros son los más similares al nuestro, los monos macacos rhesus son a menudo el paso crítico antes de que una tecnología de interfaz cerebro-máquina se adapte a los humanos.
El equipo primero insertó pequeños transductores de ultrasonido en los cráneos de dos monos rhesus. Si bien suena intenso, la cirugía no penetra el cerebro o su membrana protectora; está solo en el cráneo. En comparación con los electrodos, esto significa que el cerebro en sí no sufre daños físicos.
El dispositivo está conectado a una computadora, que controla la dirección de las ondas sonoras y captura las señales del cerebro. Para este estudio, el equipo apuntó los pulsos a la corteza parietal posterior, una parte del aspecto “motor” del cerebro, que planifica el movimiento. Si ahora mismo estás pensando en desplazarte hacia abajo en esta página, esa es la región del cerebro que ya está activada, antes de que tus dedos realicen el movimiento.
Luego vinieron las pruebas. El primero se centró en los movimientos de los ojos, algo bastante necesario antes de planificar los movimientos corporales reales sin tropezar con todo. Aquí, los monos aprendieron a enfocarse en un punto central en la pantalla de una computadora. Un segundo punto, ya sea a la izquierda o a la derecha, luego parpadeó. La tarea de los monos era hacer parpadear sus ojos hasta el punto más reciente. Es algo que nos parece fácil, pero requiere una computación cerebral sofisticada.
La segunda tarea fue más sencilla. En lugar de simplemente mover sus ojos al segundo punto objetivo, los monos aprendieron a agarrar y manipular un joystick para mover un cursor a ese objetivo.
A medida que los monos aprendieron, también lo hizo el dispositivo. Los datos de ultrasonido que capturan la actividad cerebral se introdujeron en un sofisticado algoritmo de aprendizaje automático para adivinar las intenciones de los monos. Aquí está el truco: una vez entrenado, utilizando datos de una sola prueba, el algoritmo pudo predecir correctamente el movimiento real de los ojos de los monos, ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha, con una precisión de aproximadamente el 78 por ciento. La precisión para maniobrar correctamente el joystick fue aún mayor, casi el 90 por ciento.
Eso es increíblemente preciso y muy necesario para una prótesis controlada por la mente. Si está utilizando un cursor o una extremidad controlados por la mente, lo último que querría es tener que imaginar el movimiento varias veces antes de hacer clic en el botón web, agarrar la manija de la puerta o mover la pierna robótica.
Aún más impresionante es la resolución. Las ondas sonoras parecen omnipresentes, pero con el ultrasonido enfocado, es posible medir la actividad cerebral a una resolución de 100 micrones, aproximadamente 10 neuronas en el cerebro.
¿Un futuro cyborg?
Antes de que empieces a preocuparte por los científicos que explotan tu cerebro con ondas sonoras para hackear tu mente, no te preocupes. La nueva tecnología aún requiere cirugía de cráneo, lo que significa que es necesario extraer un pequeño trozo de cráneo. Sin embargo, el cerebro mismo se salva. Esto significa que, en comparación con los electrodos, el ultrasonido podría ofrecer menos daño y, potencialmente, una lectura mental mucho más larga que cualquier otra cosa posible actualmente.
Hay desventajas. El ultrasonido enfocado es mucho más reciente que cualquier implante neuronal basado en electrodos y aún no puede decodificar de manera confiable movimientos de 360 grados o movimientos finos de los dedos. Por ahora, la tecnología requiere un cable para conectar el dispositivo a una computadora, lo cual es desagradable para muchas personas y evitará una adopción generalizada. Agregue a eso la desventaja inherente del ultrasonido enfocado, que se retrasa con respecto a las grabaciones eléctricas en aproximadamente dos segundos.
Sin embargo, aparte de todo eso, la tecnología está avanzando de puntillas hacia un futuro en el que las mentes y las máquinas se conectan sin problemas. El ultrasonido puede penetrar el cráneo, aunque todavía no tiene la resolución necesaria para obtener imágenes y decodificar la actividad cerebral. El equipo ya está trabajando con voluntarios humanos con lesiones cerebrales traumáticas, a quienes tuvieron que extirpar una parte del cráneo para ver qué tan bien funciona el ultrasonido para leer sus mentes.
“Lo más emocionante es que la ecografía funcional es una técnica joven con un enorme potencial. Este es solo nuestro primer paso para llevar una interfaz cerebro-máquina menos invasiva y de alto rendimiento a más personas ”, dijo Norman.
Crédito de la imagen: Free-Photos / Pixabay
Fuente: https://singularityhub.com/2021/03/30/how-scientists-used-ultrasound-to-read-monkeys-minds/
