Avance en el control mental: la interfaz cerebro-máquina de ultrasonido pionera de Caltech

por manuel costa
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Ultrasound Brain-Machine Interface

Avance en el control mental: la revolucionaria interfaz cerebro-máquina de Caltech que utiliza ultrasonido

Los últimos avances en interfaces cerebro-máquina (IMC) han introducido la ecografía funcional (fUS), una técnica no invasiva para controlar la actividad cerebral. Esta innovadora innovación muestra resultados prometedores al permitir un control preciso de dispositivos electrónicos con un retraso mínimo, eliminando la necesidad de una recalibración frecuente.

La ecografía funcional (fUS) representa un importante avance en la tecnología de interfaz cerebro-máquina, ya que proporciona un enfoque menos invasivo para interpretar la actividad cerebral con el fin de controlar dispositivos electrónicos.

Los IMC son dispositivos diseñados para leer la actividad cerebral y traducirla en comandos para dispositivos electrónicos, como prótesis o cursores de computadora. Tienen el potencial de capacitar a las personas con parálisis para manipular prótesis utilizando sus pensamientos.

Los IMC tradicionales a menudo requieren procedimientos quirúrgicos invasivos para implantar electrodos directamente en el cerebro para capturar la actividad neuronal. Sin embargo, en 2021, investigadores de Caltech introdujeron un método novedoso para monitorear la actividad cerebral utilizando ultrasonido funcional (fUS), una técnica mucho menos invasiva.

Ultrasonido funcional: transformando el IMC

Un estudio reciente sirve como prueba de concepto de que la tecnología fUS podría respaldar un IMC "en línea". Un IMC de este tipo no sólo leería la actividad cerebral sino que también decodificaría su significado a través de algoritmos de aprendizaje automático, controlando posteriormente una computadora con un retraso mínimo y prediciendo con precisión los movimientos.

Se emplea tecnología de ultrasonido para crear imágenes cerebrales bidimensionales, que luego se pueden apilar para generar una representación tridimensional. Este enfoque, que es transparente para el cráneo, no implica ninguna implantación en el cerebro, lo que reduce el riesgo de infección y preserva la integridad del tejido cerebral y su cubierta protectora, la duramadre.

Comprensión de las imágenes por ultrasonido

Las imágenes por ultrasonido funcionan emitiendo pulsos de sonido de alta frecuencia y midiendo cómo estas vibraciones se propagan a través de diversas sustancias, como los tejidos del cuerpo humano. Las ondas sonoras viajan a distintas velocidades dentro de estos tejidos y se reflejan en sus límites. Esta técnica se usa comúnmente para diagnóstico por imágenes, incluidas imágenes fetales durante el embarazo.

Dado que las ondas sonoras no pueden penetrar el cráneo, se debe instalar una "ventana" transparente en el cráneo para facilitar las imágenes del cerebro con ultrasonido. La clave de la ecografía funcional radica en monitorear los cambios en el flujo sanguíneo dentro de regiones específicas del cerebro. A medida que la actividad neuronal fluctúa, también lo hace la utilización de recursos metabólicos como el oxígeno, que se repone a través del torrente sanguíneo. Este estudio utilizó ultrasonido para medir las alteraciones en el flujo sanguíneo, lo que permitió monitorear simultáneamente la actividad de pequeñas poblaciones neuronales, algunas de las cuales constan de solo 60 neuronas, repartidas por todo el cerebro.

Desbloquear la movilidad: empoderar a personas paralizadas a través de computadoras controladas por el pensamiento y miembros robóticos

Aplicación innovadora en primates no humanos

Los investigadores aplicaron ultrasonido funcional para monitorear la actividad cerebral dentro de la corteza parietal posterior (PPC) de primates no humanos. Esta región gobierna la planificación y ejecución de movimientos y ha sido ampliamente estudiada por el laboratorio de Andersen utilizando diversas técnicas.

Los animales fueron entrenados para realizar dos tareas que les exigían planificar movimientos, ya sea con las manos para controlar un cursor en una pantalla o con los ojos para centrarse en una parte específica de la pantalla. Sorprendentemente, solo necesitaban pensar en realizar la tarea, ya que el BMI interpretó la actividad de planificación en su PPC.

Resultados prometedores y perspectivas de futuro

Los datos de ultrasonido en tiempo real se transmitieron a un decodificador que había sido entrenado para interpretar estos datos mediante aprendizaje automático. Posteriormente, el decodificador generó señales de control para mover un cursor a la ubicación prevista según la concepción del animal. Este BMI logró un control exitoso sobre ocho objetivos radiales, con errores medios de menos de 40 grados.

En particular, esta técnica evita la necesidad de una recalibración diaria, lo que la diferencia de otros IMC. Por el contrario, imaginemos un escenario en el que uno necesita recalibrar el mouse de su computadora hasta 15 minutos cada día antes de usarlo.

Próximos pasos: estudios en humanos e imágenes mejoradas

Los esfuerzos futuros del equipo de investigación implican investigar el rendimiento de los IMC basados en tecnología de ultrasonido en humanos y perfeccionar la tecnología fUS para permitir imágenes tridimensionales para una mayor precisión.

Este estudio, titulado “Decodificación de planes motores mediante una interfaz ultrasónica cerebro-máquina de circuito cerrado”, se publicó en la revista Nature Neuroscience el 30 de noviembre de 2023.

Referencia: “Decodificación de planes motores utilizando una interfaz ultrasónica cerebro-máquina de circuito cerrado” por Whitney S. Griggs, Sumner L. Norman, Thomas Deffieux, Florian Segura, Bruno-Félix Osmanski, Geeling Chau, Vasileios Christopoulos, Charles Liu, Mickael Tanter , Mikhail G. Shapiro y Richard A. Andersen, 30 de noviembre de 2023, Nature Neuroscience.
DOI: 10.1038/s41593-023-01500-7

Whitney Griggs (PhD '23), estudiante de doctorado/doctorado de UCLA-Caltech, y Sumner Norman, un ex académico postdoctoral ahora afiliado a Forest Neurotech, son los autores principales del estudio. Además de Griggs, Norman y Andersen, otros coautores de Caltech incluyen al estudiante graduado Geeling Chau y Vasileios Christopoulos, asociado visitante en biología e ingeniería biológica. Otros coautores incluyen a Charles Liu de la USC y Mickael Tanter, Thomas Deffieux y Florian Segura del INSERM en París, Francia. La financiación para la investigación fue proporcionada por el Instituto Nacional del Ojo, una beca Josephine de Karman, el MSTP UCLA-Caltech, la Fundación Della Martin, el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, los Institutos Nacionales de Salud, T&C Chen Brain-Machine Interface Center y la Fundación Boswell.

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre la interfaz cerebro-máquina de ultrasonido

¿Qué es la tecnología de ultrasonido funcional (fUS)?

La ecografía funcional (fUS) es una técnica no invasiva para monitorear la actividad cerebral, que permite un control preciso de los dispositivos electrónicos mediante la interpretación de señales neuronales.

¿En qué se diferencian las interfaces cerebro-máquina (IMC) tradicionales de las IMC basadas en fUS?

Los IMC tradicionales a menudo requieren cirugías invasivas para implantar electrodos en el cerebro, mientras que los IMC basados en fUS utilizan ultrasonido para monitorear la actividad cerebral sin necesidad de implantación.

¿Qué ventajas ofrece la tecnología fUS?

El ultrasonido funcional es menos invasivo que los implantes cerebrales tradicionales, no requiere recalibración frecuente y permite monitorear la actividad en múltiples regiones del cerebro simultáneamente.

¿Cómo funciona la ecografía en este contexto?

El ultrasonido emite pulsos de sonido de alta frecuencia y mide cómo se propagan a través de los tejidos. Los cambios en el flujo sanguíneo, relacionados con la actividad neuronal, se detectan mediante el efecto Doppler, lo que permite un seguimiento preciso.

¿Cuáles son las posibles aplicaciones de esta tecnología?

Esta tecnología podría permitir a las personas paralizadas controlar dispositivos protésicos o computadoras con sus pensamientos, ofreciendo movilidad e independencia recién descubiertas.

¿Hay planes para probar esta tecnología en humanos?

Sí, el equipo de investigación planea estudiar cómo funcionan los IMC basados en fUS en humanos, llevando potencialmente esta innovación a una audiencia más amplia.

Más información sobre la interfaz cerebro-máquina de ultrasonido

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