Ultrasonido lee los cerebros de los monos, lo que abre una nueva forma de controlar máquinas con el pensamiento

Los dispositivos controlados por la mente más avanzados que se están probando en humanos se basan en pequeños cables insertados en el cerebro.

Ahora los investigadores han allanado el camino para una opción menos invasiva.

Han usado imágenes de ultrasonido para predecir los movimientos intencionados de los ojos o las manos de un mono, información que podría generar comandos para un brazo robótico o el cursor de una computadora.

Si se puede mejorar el enfoque, puede ofrecer a las personas paralizadas una nueva forma de controlar las prótesis sin equipo que penetre en el cerebro.

“Este estudio pondrá [el ultrasonido] en el mapa como una técnica de interfaz cerebro-máquina”, dice Krishna Shenoy, neurocientífico de la Universidad de Stanford, que no participó en el nuevo trabajo.

“Agregar esto al conjunto de herramientas es espectacular“.

Los médicos han utilizado durante mucho tiempo ondas de sonido con frecuencias más allá del rango del oído humano para crear imágenes de nuestras entrañas.

Un dispositivo llamado transductor envía pings ultrasónicos al cuerpo, que rebotan para indicar los límites entre diferentes tejidos y fluidos.

Hace aproximadamente una década, los investigadores encontraron una forma de adaptar el ultrasonido a las imágenes cerebrales.

El enfoque, conocido como ultrasonido funcional, utiliza un plano de sonido amplio y plano en lugar de un haz estrecho para capturar un área grande más rápidamente que con el ultrasonido tradicional.

Al igual que la resonancia magnética funcional (fMRI), la ecografía funcional mide los cambios en el flujo sanguíneo que indican cuándo las neuronas están activas y gastando energía.

Pero crea imágenes con una resolución mucho más fina que la fMRI y no requiere que los participantes se acuesten en un escáner masivo.

La técnica todavía requiere la extracción de un pequeño trozo de cráneo, pero a diferencia de los electrodos implantados que leen la actividad eléctrica de las neuronas directamente, no implica abrir la membrana protectora del cerebro, señala el neurocientífico Richard Andersen del Instituto de Tecnología de California (Caltech), un co-autor del nuevo estudio.

El ultrasonido funcional puede leer desde regiones profundas del cerebro sin penetrar el tejido.

Aún así, medir la actividad neuronal desde la distancia significa sacrificar algo de velocidad y precisión, dice el coautor de Andersen, el ingeniero bioquímico de Caltech, Mikhail Shapiro.

En comparación con las lecturas de los electrodos, el ultrasonido funcional proporciona “una señal menos directa“, dice, por lo que “había una cuestión de cuánta información contienen realmente [las imágenes de ultrasonido]“.

Las imágenes podrían revelar la actividad neuronal mientras el cerebro se preparaba para un movimiento.

Pero, ¿había suficiente detalle en esa señal para que una computadora decodificara el movimiento previsto?

Para averiguarlo, los investigadores colocaron pequeños transductores de ultrasonido, aproximadamente del tamaño y la forma de un dominó, en los cráneos de dos monos macacos rhesus.

El dispositivo, conectado por un cable a una computadora, dirigía ondas sonoras hacia una región del cerebro llamada corteza parietal posterior, que participa en la planificación de los movimientos.

Los monos fueron entrenados para enfocar sus ojos en un pequeño punto en el centro de una pantalla mientras un segundo punto destellaba brevemente a la izquierda o derecha.

Cuando el punto central desapareció, los animales movieron sus ojos al punto donde el segundo punto había destellado recientemente.

En otra serie de experimentos, extendieron la mano y movieron un joystick, en lugar de sus ojos, hacia ese punto.

Luego, un algoritmo informático tradujo los datos del ultrasonido en conjeturas sobre las intenciones de los monos.

Ese algoritmo podría determinar cuándo los animales se estaban preparando para moverse y si estaban planeando un movimiento ocular o un brazo.

Los científicos podían predecir si un movimiento sería hacia la izquierda o hacia la derecha con aproximadamente un 78% de precisión para los movimientos oculares y un 89% de precisión para alcanzar, informaron en Neuron.

Dos estudios anteriores han utilizado datos de ultrasonidos funcionales en el cerebro de los monos para reconstruir lo que los animales estaban viendo o sus movimientos oculares.

Pero hacer eso requería promediar señales a lo largo de largos períodos de tiempo o múltiples movimientos.

En el nuevo estudio, los investigadores recopilaron suficientes datos para hacer una predicción en cada ejecución del experimento, cada vez que el mono planeó un movimiento.

Esa es una característica importante, dice Maureen Hagan, neurocientífica de la Universidad de Monash que ha estudiado cómo el cerebro orquesta el movimiento.

El usuario de un brazo robótico querría pensar en su movimiento previsto solo una vez para que el brazo se mueva, por ejemplo.

“No quieres que los sujetos tengan que hacer muchos [intentos de movimientos] para decodificar sus intenciones“.

Un próximo paso clave será utilizar las predicciones de la computadora en tiempo real para guiar la mano de un robot o un cursor, dice Shenoy.

Agrega que el ultrasonido funcional “tiene mucho camino por recorrer antes de que pueda comenzar a acercarse al nivel de lo que [pueden hacer] las tecnologías implantadas”, en términos de velocidad y complejidad de los movimientos que puede decodificar.

Por ejemplo, los implantes de electrodos ya pueden decodificar los movimientos previstos del brazo en muchas direcciones, no solo hacia la izquierda y la derecha.

Pero algunos pacientes pueden preferir una prótesis que los conecte a una computadora sin penetrar en su cerebro.

“Es tan personal”, dice Shenoy. “Los pacientes quieren opciones“.

Debido a que las señales del flujo sanguíneo son más lentas que las eléctricas, la velocidad es una limitación inherente del ultrasonido funcional, agrega la neurocientífica Emilie Macé del Instituto Max Planck de Neurobiología.

Los investigadores necesitaban datos de un período de aproximadamente 2 segundos para decodificar la planificación del movimiento de los monos, señala Macé, quien ayudó a desarrollar la tecnología de ultrasonido en el laboratorio del físico Mickael Tanter del INSERM, la agencia francesa de investigación biomédica, coautor de la nuevo estudio.

Pero el ultrasonido aún podría guiar un brazo robótico, dice, siempre que una computadora pueda dirigir rápidamente los movimientos motores finos del brazo a partir de la señal del usuario.

Macé prevé muchas mejoras futuras a la técnica, incluida la obtención de más información mediante la obtención de imágenes de trozos de tejido en 3D en lugar de un plano plano.

“La tecnología todavía no está en todo su potencial“.

Fuente: Science Mag