Interfaz cerebro computadora (BCI)

Interfaz cerebro computadora

Desde hace mucho tiempo la fantasía de poder comunicarnos con las máquinas con solo utilizar nuestro pensamiento ha cautivado nuestra imaginación. Estamos tan acostumbrados a nuestros cuerpos, que no tomamos conciencia de los complejos mecanismos biológicos, químicos y eléctricos que ocurren entre nuestro cerebro y nuestro cuerpo para poder comunicarse fácilmente e interactuar con el mundo. Los nuevos avances tecnológicos están haciendo cada vez más sencillo que nuestro cerebro pueda transcender nuestro cuerpo y logre comunicarse con el mundo exterior utilizando otros dispositivos. El incipiente campo de la interfaz cerebro computadora o BCI, por sus siglas en inglés, consiste en el estudio multidisciplinario de los avances en neurociencia, procesamiento de señales, machine learning y las tecnologías de la información para explorar la forma de comunicar nuestro cerebro en forma directa con las máquinas de la misma forma en que lo hacemos con nuestro cuerpo.

¿Qué es la interfaz cerebro computadora?

La forma natural de comunicación entre el cerebro y nuestro cuerpo requiere de nervios y músculos. El proceso comienza con nuestra intención. Esta intención desencadena un proceso complejo en el que algunas áreas del cerebro son activadas y luego se envían señales a través de nuestro sistema nervioso periférico a los músculos correspondientes, que son los que en definitiva terminan realizando la tarea que comenzó en nuestro pensamiento. La interfaz cerebro computadora nos ofrece una alternativa a esta forma natural de comunicación y control. Consiste en un sistema artificial, que en lugar de depender de nervios y músculos, mide directamente la actividad cerebral asociada a nuestra intención y la traduce en señalas que pueden ser luego interpretadas por diferentes dispositivos. Esta traducción involucra procesamiento de señales y reconocimiento de patrones que son generalmente realizadas por una computadora.

¿Cómo funciona?

El objetivo de los sistemas de interfaz cerebro computadora es el de traducir la actividad cerebral en comandos de control para dispositivos y en estimular el cerebro para provocar una respuesta sensorial o recuperar una función neuronal. En todo sistema BCI podemos encontrar una o varias de las siguientes etapas de procesamiento:

  • Obtención de la actividad cerebral: Las señales de la actividad cerebral se obtiene utilizando tanto métodos invasivos como no invasivos.

  • Procesamiento de señales: Las señales en bruto son procesadas luego de ser adquiridas; se utilizan diferentes técnicas de Reducción de dimensionalidad y de selección de atributos para procesarlas.

  • Reconocimiento de patrones y machine learning: En esta etapa se utilizan las técnicas de machine learning para generar las señales de control para los dispositivos.

  • Respuesta sensorial: La señal de control de la etapa anterior genera un cambio en el entorno. Algunos de estos cambios pueden ser escuchados, vistos o sentidos por el usuario; pero en general se pueden utilizar sensores en el ambiente (sensores táctiles, cámaras, micrófonos) para enviar una respuesta directa al cerebro vía estimulación.

  • Procesamiento de señales por estimulación: Se requiere un buen entendimiento de la región del cerebro que se quiere estimular para lograr la respuesta deseada; Aquí se utilizan técnicas de procesamiento de señales y machine learning para intentar encontrar el correcto patrón de estimulación.

  • Estimulación cerebral: El patrón de estimulación obtenido en el punto anterior es utilizado en conjunción con técnicas invasivas o no invasivas de estimulación para estimular el cerebro.

A continuación podemos ver un diagrama de como funciona una interfaz cerebro computadora.

Interfaz cerebro computadora

Formas de medir la actividad cerebral

La actividad cerebral produce actividad eléctrica y magnética. Por lo tanto, se pueden utilizar sensores para detectar diferentes tipos de cambios en la actividad eléctrica o magnética, en diferentes momentos,sobre diferentes áreas del cerebro para ,de esta forma, poder estudiar la actividad cerebral. La mayoría de los sistemas BCI se basan en mediciones eléctricas de actividad cerebral y dependen de sensores colocados sobre la cabeza para medir esta actividad. La electroencefalografía (EEG) es una de las principales herramientas que se utiliza y consiste en capturar la actividad cerebral por medio de colocar unos electrodos sobre el cuero cabelludo. Otros dispositivos, pero ya no tan comunes por su alto costo que se pueden utilizar para medir la actividad cerebral son: la magnetoencefalografía (MEG), la cual registra los campos magnéticos asociados con la actividad cerebral; La resonancia magnética funcional (fMRI) que mide pequeños cambios en las señales dependientes del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD) asociadas con la activación cortical. Al igual que la fMRI, la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIRS) es una técnica hemodinámica para la evaluación de la actividad funcional en la corteza humana.

Interfaz cerebro computadora

Aplicaciones

Los sistemas BCI pueden tener muchas aplicaciones terapéuticas, por ejemplo se pueden utilizar para proporcionar comunicación y control a usuarios con discapacidades leves, e incluso a usuarios sanos en algunas situaciones. Los sistemas BCI también pueden proporcionar nuevos medios para tratar los accidentes cerebrovasculares, el autismo y otros trastornos cerebrales.

Aquí concluye esta introducción a la interfaz cerebro computadora el reciente resurgimiento del interés en este campo se debe principalmente a que existen computadoras más rápidas y baratas; a los avances en el conocimiento de cómo el cerebro procesa la información sensorial y produce una salida motriz; a la mayor disponibilidad de dispositivos para registrar señales cerebrales; y a las técnicas cada vez más poderosas de procesamiento de señales y algoritmos de machine learning.

Les dejo el link de un demo sobre BCI realizada por Gabriel Maggiotti un miembro de la comuindad IAAR