Avance en el Control Mental: La Interfaz Cerebro-Máquina Pionera de Caltech mediante Ultrasonido

Los desarrollos recientes en interfaces cerebro-máquina incluyen ultrasonido funcional (fUS), un método discreto para estudiar la actividad cerebral. Esta nueva técnica revela potencial para dirigir dispositivos electrónicos con un retraso insignificante y no requiere una recalibración frecuente. El crédito se debe a SciTechDaily.com

Un avance considerable en la tecnología de interfaz cerebro-máquina, el ultrasonido funcional (fUS) proporciona una táctica menos intrusiva para el control preciso de dispositivos digitales al descifrar la actividad cerebral.

Las interfaces cerebro-máquina (IMC) son aparatos capaces de asimilar la actividad cerebral y convertirla para gobernar un dispositivo electrónico como un cursor de computadora o un brazo artificial. Los IMC ofrecen un medio para que las personas con parálisis controlen instrumentos protésicos utilizando sus pensamientos.

La mayoría de los IMC exigen procedimientos quirúrgicos invasivos para insertar electrodos en el cerebro para analizar la actividad neuronal. Sin embargo, en el año 2021, el equipo de investigación de Caltech inventó un método para examinar la actividad cerebral utilizando ultrasonido funcional (fUS), un método significativamente menos intrusivo.

Recientemente, un estudio de evidencia de concepto ilustró que la tecnología fUS puede servir como base para un IMC "en línea", uno que discierne la actividad cerebral, descifra sus implicaciones con decodificadores programados utilizando el aprendizaje automático y, como resultado, manipula una computadora que está capaz de predecir la acción con un retraso de tiempo muy pequeño.

El ultrasonido se aprovecha para tomar imágenes bidimensionales del cerebro, que luego se pueden compilar para producir una imagen tridimensional. Crédito: Cortesía de W. Griggs

Este estudio de investigación se realizó en los laboratorios de Caltech por dos investigadores senior; Richard Andersen, profesor James G. Boswell de neurociencia y presidente de liderazgo del Centro de interfaz cerebro-máquina T&C Chen, y Mikhail Shapiro, profesor Max Delbrück de ingeniería química e ingeniería médica. También implicó una contribución conjunta con el laboratorio de Mickael Tanter, director de física de medicina del INSERM en París, Francia.

Andersen expresa: “La ecografía funcional introduce una modalidad completamente nueva para mejorar el conjunto de herramientas de las interfaces cerebro-máquina que pueden brindar asistencia a las personas con parálisis. Presenta alternativas atractivas por ser menos intrusivo en comparación con los implantes cerebrales y no exige una recalibración continua. El desarrollo de esta tecnología se logró mediante un esfuerzo verdaderamente colaborativo que un laboratorio por sí solo no podría realizar”.

Sumner Norman, ex investigador asociado postdoctoral senior en Caltech y coautor del estudio, comenta que, “en general, todas las herramientas para medir la actividad cerebral tienen ventajas y desventajas. Mientras que los electrodos pueden medir la actividad de neuronas separadas con absoluta precisión, éstas deben implantarse dentro del propio cerebro y escalarse para cubrir más de unas pocas regiones cerebrales menores es un desafío. Las tácticas no intrusivas también conllevan compensaciones. La resonancia magnética funcional [fMRI] ofrece acceso a todo el cerebro, pero está limitada por una menor sensibilidad y resolución. Las técnicas portátiles, como la electroencefalografía [EEG], están limitadas por una calidad de señal inadecuada y la incapacidad de localizar la función cerebral profunda”.

El marco vascular de la corteza parietal posterior determinado por neuroimagen por ultrasonido funcional. Crédito: Cortesía de W. Griggs

Las imágenes por ultrasonido funcionan lanzando pulsos de sonido de alta frecuencia y calculando cómo estas vibraciones sonoras reverberan en toda una sustancia, por ejemplo, en varios tejidos del cuerpo humano. Estas ondas sonoras navegan a velocidades diferentes a través de diferentes tipos de tejidos y rebotan en los bordes que los unen. Esta técnica se emplea habitualmente para diagnóstico por imágenes y para tomar imágenes de un feto en el útero.

Dado que el cráneo en sí no permite que las ondas sonoras penetren, el empleo de ultrasonido para obtener imágenes del cerebro requiere la inserción de una "ventana" transparente en el cráneo. Whitney Griggs (PhD '23), coautora del estudio, señala: “Lo más importante es que no es necesario implantar la tecnología de ultrasonido en el cerebro mismo. Esto reduce significativamente la probabilidad de infección y mantiene el tejido cerebral y su duramadre intactos”.

"A medida que cambia la actividad de las neuronas, también cambia el uso de recursos metabólicos como el oxígeno", dice Norman. "Esos recursos se reabastecen a través del torrente sanguíneo, que es la clave para la ecografía funcional". En este estudio, los investigadores utilizaron ultrasonido para medir los cambios en el flujo sanguíneo a regiones específicas del cerebro. De la misma manera que el sonido de la sirena de una ambulancia cambia de tono a medida que se acerca y luego se aleja de usted, los glóbulos rojos aumentarán el tono de las ondas de ultrasonido reflejadas a medida que se acercan a la fuente y disminuirán el tono a medida que se alejan. . La medición de este fenómeno del efecto Doppler permitió a los investigadores registrar pequeños cambios en el flujo sanguíneo del cerebro hasta regiones espaciales de sólo 100 micrómetros de ancho, aproximadamente el ancho de un cabello humano. Esto les permitió medir simultáneamente la actividad de pequeñas poblaciones neuronales, algunas tan pequeñas como sólo 60 neuronas, en todo el cerebro.

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Los investigadores utilizaron ultrasonido funcional para medir la actividad cerebral de la corteza parietal posterior (PPC) de primates no humanos, una región que gobierna la planificación de los movimientos y contribuye a su ejecución. La región ha sido estudiada por el laboratorio Andersen durante décadas utilizando otras técnicas.

A los animales se les enseñaron dos tareas, requiriéndoles planear mover su mano para dirigir un cursor en una pantalla, o planear mover sus ojos para mirar una parte específica de la pantalla. Solo necesitaban pensar en realizar la tarea, no mover los ojos ni las manos, mientras el BMI leía la actividad de planificación en su PPC.

"Recuerdo lo impresionante que era cuando este tipo de decodificación predictiva funcionaba con electrodos hace dos décadas, y ahora es sorprendente verlo funcionar con un método mucho menos invasivo como el ultrasonido", dice Shapiro.

Los datos de ultrasonido se enviaron en tiempo real a un decodificador (previamente entrenado para decodificar el significado de esos datos mediante aprendizaje automático) y posteriormente generaron señales de control para mover un cursor hacia donde el animal pretendía que fuera. El BMI pudo hacer esto con éxito en ocho objetivos radiales con errores medios de menos de 40 grados.

"Es importante que la técnica no requiera recalibrar el IMC cada día, a diferencia de otros IMC", dice Griggs. "A modo de analogía, imaginemos que necesitamos recalibrar el ratón de nuestra computadora hasta 15 minutos cada día antes de usarlo".

A continuación, el equipo planea estudiar cómo funcionan en humanos los IMC basados en tecnología de ultrasonido y desarrollar aún más la tecnología fUS para permitir imágenes tridimensionales para mejorar la precisión.

El artículo se titula "Decodificación de planes motores mediante una interfaz ultrasónica cerebro-máquina de circuito cerrado" y se publicó en la revista Nature Neuroscience el 30 de noviembre.