La interfaz cerebro y su aplicación

Los neuro–ingenieros han desarrollado una técnica que permite obtener y procesar la actividad cerebral, interpretar algunas señales cerebrales que intervienen en la formación de sonidos simples, y traducir esto en el movimiento de un cursor en una pantalla de computadora. A esta tecnología de le conoce como de “Interfaz Cerebro –Computador” (en inglés, Brain–Computer Interface, BCI).

Por actividad neuronal se entiende la actividad eléctrica que permite identificar los principales potenciales de acción que se transmiten. Por consiguiente, la actividad  cerebral sería el funcionamiento del conjunto de neuronas del sistema nervioso central localizadas en el cerebro. Un potencial de acción o impulso eléctrico es una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana celular, en este caso, del axón de la neurona. Los potenciales de acción se utilizan para llevar información entre unos tejidos y otros. Estos pueden generarse en varios tipos de células corporales, pero las más activas en su uso son las células del sistema nervioso. La información viaja entre neuronas por medio de impulsos eléctricos que se transmiten de unas neuronas a otras.

Las neuronas conforman e interconectan los tres componentes del sistema nervioso: sensitivo, integrador o mixto y motor. Además, pueden comunicarse a través de diversos medios con otros tejidos corporales, como el músculo o las glándulas. Los potenciales de acción son la vía fundamental de transmisión de códigos neurales. La actividad observada en el cerebro durante el uso de una máquina manejada por control mental es similar a la actividad cerebral que tiene lugar cuando se aprenden habilidades motoras nuevas, como andar en bicicleta o tocar el piano. En experimentos donde se les pide a sujetos que lleven a cabo actividades desde pensar sobre una tarea hasta procesar mental y automáticamente su ejecución. Se puede registrar la actividad neuronal de los participantes mediante el uso de sensores cerebrales vinculados a una computadora que “traduce” los impulsos eléctricos en acciones.


Las neuronas poseen propiedades estructurales y funcionales que permiten conducir impulsos eléctricos a gran velocidad (1 a 100 metros por segundo) e integrar la actividad de muchas neuronas. La actividad coordinada de las neuronas y sus interacciones, por medio de las sinapsis, producen respuestas motoras y emocionales, percepciones, aprendizaje, memoria, lenguaje y, en general, todos los procesos mentales. La actividad neuronal se puede determinar por medio de su registro eléctrico. El registro electrofisiológico define con exactitud la forma y el patrón de descarga neuronal, lo que da pie a interpretar el código de comunicación entre neuronas. Los ectroencefalogramas elaboran registros gráficos de la actividad eléctrica del cerebro.

Los potenciales de acción viajan a lo largo del axón como una onda de naturaleza eléctrica a lo largo de la cuerda. Las fibras nerviosas se comportan como conductores eléctricos, por lo cual un potencial de acción generado en un punto concreto genera otro gradiente de voltaje entre las porciones de membrana, activadas y en reposo, adyacentes a él. Gracias a esta conductividad eléctrica el electroencefalograma puede registrar gráficamente la actividad eléctrica del cerebro.

La actividad eléctrica regula la sincronización de la actividad neuronal mediante un ciclo de retroalimentación positiva, afectando el comportamiento de las mismas neuronas que la producen. Esto, en términos bio–físicos, quiere decir que los campos eléctricos influyen en la actividad del cerebro, y que el cerebro al generar campos eléctricos durante su actividad intrínseca afecta su propia actividad. La actividad concertada o sincronizada de los impulsos eléctricos es lo que mide el electroencefalograma. Al analizar la actividad cerebral de sujetos bajo experimentación se puede observar que las áreas neuronales activadas en el cerebro cambian a medida que los sujetos se hacen más expertos en la realización del ejercicio. A medida que adquieren un mayor dominio de la técnica baja la intensidad de actividad en áreas que están relacionadas con los movimientos motores y el aprendizaje abstracto. Es parecido a aprender a hacer una nueva tarea motora, pero a la vez es muy distinto en el sentido de que el cerebro no recibe ninguna retroalimentación sensorial.

La tecnología de interfaz cerebro–computador es un sistema de interacción hombre–máquina capaz de traducir nuestras intenciones en interacción real con un mundo físico o virtual. El funcionamiento básico de una BCI es medir la actividad cerebral, procesarla para obtener las características de interés, y una vez obtenidas interaccionar con el entorno de la forma deseada por el usuario. Desde un punto de vista de la interacción hombremáquina, esta interfaz tiene dos características que la hacen única frente a todos los sistemas existentes. La primera de ellas es su potencial para construir un canal de comunicación natural con el hombre, la segunda su potencial acceso a la información cognitiva y emocional del usuario1.

La BCI vista como máquina que traduce intenciones humanas en acciones tiene al menos tres partes bien diferenciadas: 1. Sensor: es el encargado de recoger la actividad cerebral. La gran mayoría de modalidades sensoriales utilizadas en BCI provienen de aplicaciones clínicas, como son el electroencefalograma, la imagen por resonancia magnética funcional, etcétera; 2. Motor de Procesamiento de Señal: este módulo recoge la señal resultado de medir la actividad cerebral y aplica unos filtros para decodificar el proceso neurofisiológico que refleja la intención del usuario; 3. Aplicación: es el módulo de interacción con el entorno y da forma a la aplicación final de la BCI. Puede ser mover una silla de ruedas o escribir con el pensamiento en una pantalla de ordenador.

La BCI pretende construir un interfaz de interacción máquina–hombre capaz de crear un canal de comunicación natural, además de acceder a la información cognitiva y emocional del usuario. Los interfaces actuales como los ratones, teclados o seguidores de ojos, etcétera; son sistemas que permiten convertir las intenciones de control del usuario en acciones. Sin embargo, no son formas naturales de modelar y ejecutar la interacción, y a su vez carecen del potencial de acceder a información cognitiva como puede ser la carga de trabajo, la percepción de errores de los sistemas, la información afectiva, etc. La BCI tiene como objetivo traducir las intenciones directamente en órdenes.

 

1 Javier Mínguez, Tecnología de Interfaz Cerebro–Computador Grupo de Robótica, Percepción y Tiempo Real Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas Universidad de Zaragoza, España (email: jminguez@unizar.es)

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