Docenas de microchips podrían ser las próximas interfaces cerebro-computadora

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Un equipo de Brown University ha desarrollado un sistema que utiliza docenas de microchips de silicio para registrar y transmitir la actividad cerebral a una computadora.

Los chips, denominados “neurogranos“, cada uno del tamaño de un grano de sal, están diseñados para esparcirse por la superficie del cerebro o por todo su tejido para recolectar señales neuronales de más áreas de las que actualmente son posibles con otros implantes cerebrales.

“Cada grano tiene suficiente microelectrónica metida en él para que, cuando se incrusta en el tejido neural, pueda escuchar la actividad neuronal por un lado, y luego también pueda transmitirla como una pequeña radio al mundo exterior“, dice el autor Arto Nurmikko, un neuroingeniero en Brown que dirigió el desarrollo de los neurogranos.

Junto con otros investigadores de Brown, así como con colaboradores de la Universidad de Baylor, la Universidad de California en San Diego y Qualcomm, Nurmikko comenzó a trabajar en los neurogranos hace cuatro años con la financiación inicial de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.

Hasta ahora, los investigadores solo han probado los neurogranos en roedores, pero esperan que su prototipo siente las bases para los estudios en humanos.

Además de registrar la actividad cerebral, los neurogranos también pueden estimular las neuronas con pequeños pulsos eléctricos, lo que las convierte en una avenida interesante a explorar para tratar trastornos cerebrales como la epilepsia y el Parkinson o restaurar la función cerebral perdida por una lesión.

El equipo implantó el sistema en una rata, realizando una craneotomía para colocar 48 de los neurogranos en la corteza cerebral, la capa externa del cerebro, colocando los microchips para cubrir la mayor parte de las áreas motoras y sensoriales.

Un parche delgado del tamaño de una huella digital que se adhería al cuero cabelludo actuaba como el centro de comunicaciones externo, recibiendo señales de los neurogranos como una torre de teléfono celular en miniatura, procesándolas y cargando los chips de forma inalámbrica.

Los investigadores probaron el sistema mientras el animal estaba bajo anestesia y encontraron que los neurogranos podían registrar la actividad cortical espontánea en la rata inconsciente.

Sin embargo, la calidad de las señales no era tan buena como las adquiridas por los chips comerciales utilizados en la mayoría de las investigaciones sobre interfaces cerebro-computadora.

Estas interfaces han estado en desarrollo desde la década de 1970 y, en los últimos años, han permitido a un pequeño número de pacientes paralizados controlar tabletas, escribir en una computadora a velocidades cada vez más rápidas o mover una extremidad robótica o un cursor en pantalla con solo pensar en eso.

Para las personas con lesiones cerebrales y espinales, estos sistemas podrían eventualmente restaurar la comunicación y el movimiento, permitiéndoles vivir de manera más independiente.

Pero actualmente, no son tan prácticos.

La mayoría requieren configuraciones complicadas y no se pueden utilizar fuera de un laboratorio de investigación.

Las personas equipadas con implantes cerebrales también están limitadas en los tipos de acciones que pueden realizar debido a la cantidad relativamente pequeña de neuronas que los implantes pueden registrar a la vez.

El chip cerebral más utilizado, la matriz de Utah, es un lecho de 100 agujas de silicio, cada una con un electrodo en la punta que se adhiere al tejido cerebral.

Una de estas matrices tiene aproximadamente el tamaño de la cara de Abraham Lincoln en un centavo estadounidense y puede registrar la actividad de unos pocos cientos de neuronas circundantes.

Pero muchas de las funciones cerebrales que interesan a los investigadores, como la memoria, el lenguaje y la toma de decisiones, involucran redes de neuronas que están ampliamente distribuidas por todo el cerebro.

“Para comprender cómo funcionan realmente estas funciones, es necesario estudiarlas a nivel de sistemas”, dice Chantel Prat, profesor asociado de psicología en la Universidad de Washington que no participa en el proyecto de neurogranos.

Su trabajo incluye interfaces cerebro-computadora no invasivas que se colocan en la cabeza en lugar de implantarse.

La capacidad de grabar desde muchas más neuronas podría permitir un control motor mucho más fino y expandir lo que es posible actualmente con los dispositivos controlados por el cerebro.

Los investigadores también podrían usarlos en animales para aprender cómo las diferentes regiones del cerebro se comunican entre sí.

“Cuando se trata de cómo funcionan los cerebros, el todo es realmente más importante que la suma de las partes“, dice.

Florian Solzbacher, cofundador y presidente de Blackrock Neurotech, la compañía que fabrica la matriz de Utah, dice que un sistema de implante neural distribuido podría no ser necesario para muchos usos a corto plazo, como habilitar funciones motoras básicas o el uso de una computadora.

Sin embargo, las aplicaciones más futuristas, como restaurar la memoria o la cognición, requerirían casi con certeza una configuración más complicada.

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“Obviamente, el Santo Grial sería una tecnología que podría registrar tantas neuronas como sea posible en todo el cerebro, en la superficie y a profundidad”, dice.

“¿Necesitas eso en toda su complejidad ahora mismo? Probablemente no.

Pero en términos de comprensión del cerebro y análisis de aplicaciones futuras, cuanta más información tengamos, mejor “.

Los sensores más pequeños también podrían significar menos daño al cerebro, continúa.

Las matrices actuales, aunque ya son pequeñas, pueden causar inflamación y cicatrices alrededor del sitio del implante.

“Por lo general, cuanto más pequeño se hace algo, menos probable es que el sistema inmunológico lo detecte como un objeto extraño”, dice Solzbacher, que no participó en el estudio de Brown.

Cuando el cuerpo detecta un objeto extraño como una astilla, intenta disolverlo y destruirlo o encapsularlo con tejido cicatricial.

Pero aunque más pequeño puede ser mejor, no es necesariamente infalible, advierte Solzbacher.

Incluso los implantes minúsculos podrían desencadenar una respuesta inmune, por lo que los neurogranos también deberán estar hechos de materiales biocompatibles.

Un obstáculo importante con el desarrollo de implantes cerebrales ha sido tratar de minimizar el daño mientras se construye un implante duradero, para evitar el riesgo de cirugías de reemplazo.

Las matrices actuales duran alrededor de seis años, pero muchas dejan de funcionar mucho antes debido al tejido cicatricial.

Si los neurogranos son la respuesta, todavía queda la pregunta de cómo introducirlos en el cerebro.

En su experimento con roedores, los investigadores de Brown extrajeron una gran parte del cráneo de la rata, lo que, por razones obvias, no sería ideal en humanos.

Las matrices implantadas actuales requieren perforar un agujero en la cabeza del paciente, pero el equipo de Brown quiere evitar por completo la cirugía cerebral invasiva.

Para hacer eso, están desarrollando una técnica para insertar los neurogranos con finas agujas que se enhebrarían en el cráneo con un dispositivo especial.

(Neuralink está buscando un robot similar a una “máquina de coser” para entregar su implante cerebral en forma de moneda).

Será necesario probar la seguridad y longevidad de los microchips en roedores despiertos y que se mueven libremente, lo que el equipo de Brown planea hacer a continuación.

Luego, pasarán a estudiar con monos.

En última instancia, Nurmikko prevé que la configuración de la rata podría ampliarse hasta 770 neurogranos, cubriendo el área de superficie de un cerebro humano.

Con tantos datos neuronales recopilados por todos estos chips, decodificar lo que significan todas estas señales será un desafío.

El equipo de Brown quiere poder registrar miles, y eventualmente, cientos de miles de neuronas.

Todas esas señales cerebrales deberán decodificarse y traducirse en comandos que se transmitirán a los dispositivos externos que llevarán a cabo las acciones deseadas por el usuario.

Eso requerirá un análisis de información neuronal mucho más sofisticado que el que pueden proporcionar los sistemas más simples de hoy.

Mientras tanto, el equipo de Nurmikko quiere ver si pueden hacer que los neurogranos sean aún más pequeños, de modo que poner cientos de ellos en el cerebro causaría un daño mínimo.

Eso, dice Nurmikko, es un problema de microelectrónica.

Fuente: Futurism