Sunday, February 11, 2007

Brain-Computer Interface

Los Interfaces Cerebro-Ordenador (BCI en ingles) son unos dispositivos mediante los cuales una persona puede controlar un ordenador con el pensamiento leyendo su actividad neuronal.

La aplicación típica de estos dispositivos es para personas tetraplegicas debido a una rotura en la medula espinal, puesto que estas personas siguen generando las señales del sistema motor en el cerebro, pero sencillamente se pierden al ser transmitidas por la médula espinal.

Hay dos tipos básicos de dispositivos. Los primeros son los no intrusivos, que se basan en colocar múltiples electrodos en el cráneo. Un ejemplo bastante espectacular es el de este video:




Sin embargo, los dispositivos no intrusivos ofrecen muy bajas prestaciones. Esto se debe a que no son selectivos en absoluto, sino que escuchan regiones completas del cerebro, con lo que es muy facil confundir estimulos sensoriales con estimulos motores. Ademas, las señales son muy muy debiles y ruidosas. Por estos motivos, típicamente solo sirven para escoger entre dos opciones, y no muy rapido.

Los dispositivos intrusivos se instalan mediante una operación quirurgica. Se practica un agujero en el craneo del individuo, y se instala un dispositivo con unos pocos cientos de electrodos que leen neuronas individuales en la zona encargada de la función motora. Un cable lleva estas señales a un conector en el exterior del craneo, que conecta con el ordenador. Como en el cerebro no hay sensores al dolor, una vez instalado no existen molestias. Este video muestra el funcionamiento básico, y hacia el final del video hay un ejemplo real:



Aqui en Stanford, existe un grupo de investigación dedicado a este tipo de interfaces. Sin embargo, aqui han desarrollado un nuevo sistema que parece mucho más efectivo que el que se muestra en el video. En vez de tratar de que el paciente maneje de manera continua un ratón, el paciente trata de escoger directamente un destino entre los multiples que hay en la pantalla. Por ejemplo, si fuera un teclado, el paciente no movería un ratón hasta llegar a la letra "o" sino que directamente pensaría en apretarla y se pulsaría.

Con este concepto han hecho pruebas en monos instalandoles uno de estos dispositivos. El mono era primero entrenado para pulsar una luz cuando se mostrara, y luego cuando el dispositivo era instalado, cuando el mono pensaba en tocar esa luz directamente el sistema lo detectaba. El siguiente video es una prueba real con el mono, cuando aparece un numero es un blanco que el mono acierta solo con pensarlo, cuando pone "reach" es porque de vez en cuando intercalaban experimentos en que el mono tenia que mover el brazo para asegurarse de que el mono seguía atento y pensando en tocar las luces:



Con este sistema han logrado tasas de transferencia continuas de 6.5 bps, que equivale a unas 140 pulsaciones por minuto en un teclado alfanumerico.

Pero este no sería mi blog si lo dejaramos aqui y no explicaramos como funciona el sistema. Así que pasemos a la parte técnica. ¿Como funciona el sistema?
En el sistema nervioso, las neuronas transmiten pulsos de duración y amplitud fija llamados potenciales de acción. Estos pulsos son diferencias de potencial entre el interior y el exterior de la neurona producidos por corrientes ionicas en la membrana (simplificando mucho). Puesto que la duración y la amplitud son fijas, la información sobre la intensidad del pulso esta codificada en la frecuencia de los pulsos, y la duración total del tren de pulsos. La señales no llevan información sobre su significado, es decir, la señal me duele la pierna izquierda es igual a la de me duele la pierna derecha, sin embargo, cada una de las señales tiene su propio circuito y circula por su propia red.

En el cerebro, estas redes llevan a diferentes zonas, cada una encargada de una determinada tarea. Existen identificadas 52 áreas del cerebro dedicadas a diferentes funciones, varias tareas del lenguaje, vista, diferentes funciones motoras. La diferencia entre ellas es principalmente la configuración de las conexiones neuronales. La separación de tareas no es total, pero sí muy significativa, de manera que es posible concentrarse en una única zona.

En este caso nos interesa utilizar la función motora, puesto que el individuo guarda control sobre esta zona y la actividad neuronal responde a la voluntad del individuo de llevar a cabo una cierta tarea.

En esta zona se instala el dispositivo, que puede contener varios cientos de electrodos, aunque por ejemplo en el caso de Stanford solo tenía 100. Esos electrodos al introducirlos se acoplan capacitivamente a las neuronas, de manera que cada uno puede leer varias, pero siempre suele haber una en cada uno de los electrodos que predomina sobre las demas (aunque de hecho mediante procesado de señal se puede extraer la información de varias neuronas de un único electrodo). Estas señales se muestrean, tipicamente el ancho de banda de la señal son pocos kilohertzios, y se usa una resolución media (12 bit), puesto que la amplitud de los pulsos es conocida pero la señal es ruidosa y débil.

Una vez instalado el sistema hay que entrenarlo. Se le pide al paciente que intente tocar cada uno de los posibles destinos en pantalla, y se graba las señales de las neuronas. Realizando multiples veces el experimento es posible modelar cada el comportamiento de cada una de las neuronas cuando se desea apretar cada uno de los blancos con un modelo de Poison con una deteminada frecuencia.

Conocidas las caracteristicas de estos modelos, cuando el paciente quiere ir a cierto destino se mide la señal y se aplica el metodo de máxima verosimilitud para ver a cual de los modelos de los destinos se parece más y ese se escoge como resultado.

El siguiente paso en este tipo de sistemas (ademas de mejorar el rendimiento y la tasa de transferencia) consiste en crear sistemas intrusivos sin enchufe exterior que se comuniquen mediante via radio a potencias ultrabajas.

No se si seré yo, pero este tipo de sistemas me parecen alucinantes.

Actualización:Pinar ha meneado esta historia, si te gusta meneala aqui

4 comments:

Ed said...

Es impresionante. Cada paso de estos hace pensar que mucha ''ciencia-ficción'' dejará de ser ficción en no mucho tiempo. Quizá nosotros no lo podamos ver.... pero parece que un mundo tipo GhostInTheShell no está tan lejos.

Salu2!

pinar said...

Realmente inteseresante. Consecuencia

http://meneame.net/story/interfaz-cerebro-maquina

oria said...

Cierto muy interesante y alucinante. Ahora esperemos que no sea muy caro para los que se puedan beneficiar y que no se quede en algo anecdótico

Salvador said...

Hola, soy estudiante de maestría en neurociencias en Mexico, y me gustaria encontrar un lugar para hacer el doctorado, el llamado BMI es mi objetivo principal en investigacion ¿Qué lugares me recomendarias para continuar mis estudios?
mi mail es mabusdogma@gmail.com. Gracias