Controlar una computadora con la mente era una vez pura ciencia ficción, pero ahora es plausible gracias a la tecnología de interfaz cerebro-computadora (BCI). Los sistemas BCI de hoy han logrado avances extraordinarios para controlar máquinas complejas a través del pensamiento, pero aún hay un gran obstáculo: la identificación de una señal novedosa que se pueda grabar a través del cuero cabelludo y el cráneo.
Investigadores del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins (APL) en Laurel, Maryland, y de la Escuela de Medicina de Johns Hopkins en Baltimore han logrado un avance en la grabación no invasiva y de alta resolución de la actividad cerebral neuronal.
En un artículo publicado en Scientific Reports, el equipo demuestra que las deformaciones del tejido neural pueden proporcionar una señal novedosa para la actividad cerebral que tiene el potencial de ser aprovechada para futuros dispositivos BCI.
La investigación del APL fue parte del programa de Neurotecnología No Quirúrgica de Nueva Generación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa.
"Hoy en día, las tecnologías BCI de mayor impacto requieren implantes quirúrgicos invasivos para grabar y decodificar la actividad cerebral", dijo Mike Wolmetz, gerente del programa de Inteligencia Humana y de Máquinas en APL.
"Solo hay un puñado de métodos no quirúrgicos, todos los cuales tienen limitaciones significativas y fundamentales en resolución espacial, resolución temporal, relación señal-ruido y factor de forma. Nuestros hallazgos presentan las bases para un nuevo enfoque que podría expandir significativamente las posibilidades para BCI no quirúrgicos."
Las tecnologías BCI funcionan grabando la actividad neural asociada con una función como el habla, el movimiento o la atención, y luego interpretando esa actividad, a menudo para controlar un dispositivo externo sin tener que mover un músculo.
Controlar sistemas complejos sin implantes quirúrgicos podría tener amplias aplicaciones que beneficien a una población más amplia. Hoy en día, BCI está limitado a casos clínicos debido a su naturaleza invasiva. Aproximadamente 50 personas han tenido un BCI implantado.
"Hay dos desafíos para realizar un dispositivo BCI no invasivo: identificar una señal en el cerebro que podría proporcionar información sobre cuándo y dónde ocurre la actividad neural, y demostrar la capacidad de grabar esta señal a través del cuero cabelludo y el cráneo de una persona", dijo David Blodgett, el investigador principal del proyecto y científico jefe en APL.
El equipo buscó abordar el primero de estos desafíos desarrollando un sistema de imagen holográfica digital (DHI) para identificar y validar la señal como deformación del tejido que ocurre durante la actividad neural. La deformación del tejido es solo de decenas de nanómetros de altura, por lo que el sistema DHI se desarrolló con sensibilidades a escala nanométrica.
El sistema DHI funciona iluminando activamente el tejido con un láser y grabando la luz dispersada del tejido neural en una cámara especial.
Esta información se procesa para formar una imagen compleja del tejido de la cual se puede registrar con precisión la información de magnitud y fase para resolver espacialmente los cambios en la velocidad del tejido cerebral. Se realizaron numerosas pruebas fundamentales a lo largo de varios años para asegurar que la señal identificada por el equipo estaba de hecho correlacionada con el momento en que los neuronas disparaban.
La señal neural fue difícil de identificar debido al ruido competitivo de la interferencia fisiológica, como el flujo sanguíneo, la frecuencia cardíaca y la frecuencia respiratoria.
Blodgett, cuya experiencia está en el desarrollo de tecnologías de teledetección aérea y submarina, describió el desafío como un problema de teledetección, donde el equipo necesitaba detectar una pequeña señal -- la actividad neural -- en un entorno complejo y abarrotado -- el cerebro.
Para enfrentar este desafío, se requería un amplio conjunto de capacidades técnicas. Blodgett y su equipo colaboraron con Johns Hopkins Medicine y reunieron experiencia multidisciplinaria en imagenología biomédica, imagenología submarina, procesamiento acústico, sistemas de hardware y software en tiempo real, neurociencia e investigación médica.
Si bien el objetivo del equipo era mitigar la interferencia fisiológica para identificar la señal neural, descubrieron que la interferencia también podría proporcionar información sobre la salud de un individuo. La capacidad de grabar señales fisiológicas amplía el potencial de aplicación del sistema.
Un ejemplo fue la realización de que el sistema era capaz de grabar no invasivamente la presión intracraneal. Cuando los médicos necesitan medir la presión intracraneal de un paciente, deben perforar un agujero en el cráneo.
Si alguien sufre una lesión cerebral traumática y se le administra un medicamento, los médicos no saben si el medicamento está funcionando hasta que el paciente despierte. La capacidad de monitorear la salud cerebral desde el exterior podría ayudar a los clínicos a abordar estos desafíos sin métodos invasivos.
"Poder monitorear la función y salud del cerebro a través del cráneo sin cirugías invasivas es muy clínicamente útil", dijo Austen Lefebvre, profesor asistente de neurología en la Universidad Johns Hopkins y autor del artículo.
"Si bien aún hay mucho que entender sobre la señal neural, los hallazgos del equipo abren nuevas avenidas para la grabación óptica de la función cerebral al establecer la imagenología holográfica digital como una modalidad no invasiva capaz de grabación de alta resolución", dijo Wolmetz. "La prioridad ahora es demostrar el potencial para aplicaciones en neurociencia básica y clínica en humanos."