Protagonismo de Caltech en el avance de la interfaz cerebro-máquina por ultrasonidos

Los ultrasonidos funcionales (fUS) representan un avance significativo en la tecnología de interfaz cerebro-máquina, ya que proporcionan una forma menos invasiva de controlar equipos electrónicos con precisión mediante la interpretación de la actividad cerebral.

Las interfaces cerebro-máquina son dispositivos capaces de escanear la actividad cerebral e interpretarla para manejar un dispositivo electrónico, como un brazo protésico o el cursor de un ordenador, lo que permite a las personas con parálisis mover dispositivos protésicos con la mente.

Aunque muchos IMC requieren operaciones invasivas para implantar electrodos en el interior del cerebro con el fin de interpretar la actividad neuronal, investigadores de Caltech idearon en 2021 un método para monitorizar la actividad cerebral mediante ultrasonidos funcionales (fUS), una tecnología mucho menos invasiva.

Ecografía funcional: Un cambio de juego para los IMC

Un nuevo estudio demuestra que la tecnología fUS puede ser la base de un IMC “en línea”: uno que interpreta la actividad cerebral, descubre su significado con decodificadores programados con aprendizaje automático y gobierna un ordenador que puede predecir con precisión el movimiento con muy poco tiempo de retraso.

La investigación se llevó a cabo en los laboratorios de Richard Andersen, de Caltech, James G. Boswell, catedrático de Neurociencia y director y presidente de liderazgo del Centro de Interfaz Cerebro-Máquina T&C Chen, y Mikhail Shapiro, catedrático Max Delbrück de Ingeniería Química e Ingeniería Médica e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, así como en el laboratorio de Mickael Tanter en el INSERM de París (Francia).

Ventajas de los ultrasonidos funcionales

Andersen afirma que los ultrasonidos funcionales representan una novedosa adición al conjunto de herramientas de las interfaces cerebro-máquina diseñadas para ayudar a las personas con parálisis. Destaca su atractivo por ser menos invasivo que los implantes cerebrales y no necesitar una recalibración continua. Además, subraya que el desarrollo de esta tecnología fue fruto de un esfuerzo de colaboración, lo que pone de relieve la necesidad de que varios laboratorios trabajen juntos.

Sumner Norman, antiguo investigador postdoctoral asociado de Caltech y coautor del estudio, señala que las herramientas para medir la actividad cerebral tienen ventajas e inconvenientes. Mientras que los electrodos ofrecen mediciones precisas de la actividad de una sola neurona, su requisito de implantación en el cerebro limita la escalabilidad a unas pocas regiones cerebrales pequeñas. Por otro lado, las técnicas no invasivas, como la resonancia magnética funcional (RMf), permiten acceder a todo el cerebro, pero tienen limitaciones en cuanto a sensibilidad y resolución. La escasa calidad de la señal y la incapacidad para detectar funciones cerebrales profundas dificultan el uso de métodos portátiles como la electroencefalografía (EEG).

Explicación de los ultrasonidos

Las imágenes por ultrasonidos se obtienen enviando impulsos sonoros de alta frecuencia y midiendo después el rebote de esas vibraciones sonoras en una sustancia, como los distintos tejidos del cuerpo humano. Las distintas velocidades de las ondas sonoras a través de estos tejidos y su reflexión en los límites permiten crear imágenes. Este método se emplea con frecuencia para captar imágenes de un feto en desarrollo en el útero y para diversos fines de diagnóstico por imagen.

Debido a la impermeabilidad del cráneo a las ondas sonoras, la incorporación de los ultrasonidos a la obtención de imágenes cerebrales requiere la instalación de una “ventana” transparente en el cráneo. Whitney Griggs (PhD ’23), coautora del estudio, subraya que la tecnología de ultrasonidos no requiere su implantación directa en el cerebro. Esto reduce sustancialmente el riesgo de infección y mantiene el tejido cerebral y su duramadre protectora completamente intactos.

Norman explica que, a medida que las neuronas alteran su actividad, también cambia su utilización de recursos metabólicos como el oxígeno. La ecografía funcional depende del torrente sanguíneo para reponer los recursos esenciales. Este estudio utilizó ultrasonidos para controlar las variaciones del flujo sanguíneo a zonas cerebrales específicas. Al igual que el tono de la sirena de una ambulancia varía con la proximidad, los glóbulos rojos modifican el tono de las ondas ultrasónicas reflejadas al acercarse y alejarse de la fuente. La observación de este fenómeno de efecto Doppler permitió a los investigadores captar cambios minúsculos en el flujo sanguíneo cerebral dentro de regiones espaciales tan estrechas como 100 micrómetros, aproximadamente la anchura de un cabello humano. Esta capacidad permitió monitorizar simultáneamente la actividad de pequeñas poblaciones neuronales, algunas formadas por sólo 60 neuronas, distribuidas ampliamente por todo el cerebro.

Aplicación innovadora en primates no humanos

Los investigadores emplearon ultrasonidos funcionales para medir la actividad cerebral en la corteza parietal posterior (CPP) de primates no humanos. Esta región supervisa la planificación y ejecución de movimientos y ha sido objeto de estudio en el laboratorio de Andersen durante muchos años, empleando diversas técnicas.

Los animales se entrenaron en dos tareas: una consistía en planificar los movimientos de la mano para guiar un cursor por una pantalla, mientras que la otra consistía en planificar los movimientos de los ojos para enfocar una parte concreta de la pantalla. Para ejecutar estas tareas, los animales sólo necesitaban contemplar las acciones sin mover físicamente los ojos ni las manos. La interfaz cerebro-máquina (BMI) interpretaba la actividad de planificación en el córtex parietal posterior (PPC).

Shapiro recuerda haber expresado su admiración por el éxito de la descodificación predictiva con electrodos hace dos décadas y considera notable comprobar su eficacia con un método considerablemente menos invasivo como los ultrasonidos.

Resultados prometedores y planes de futuro

La información de los ultrasonidos en tiempo real se transmitía a un descodificador, que había sido entrenado mediante aprendizaje automático para interpretar el significado de los datos. A continuación, el descodificador producía señales de control para guiar un cursor hasta el destino especificado por el animal. La interfaz cerebro-máquina (BMI) lo consiguió para ocho objetivos radiales, con un error medio inferior a 40 grados.

Griggs destaca la importancia de la técnica, que no requiere la recalibración diaria de la interfaz cerebro-máquina (IMC), a diferencia de otras IMC. Para ilustrarlo, establece una analogía comparándolo con el inconveniente de recalibrar un ratón de ordenador hasta 15 minutos cada día antes de usarlo.

El siguiente paso del equipo consiste en examinar el rendimiento de las interfaces cerebro-máquina (IMC) con tecnología de ultrasonidos en humanos. Además, pretenden mejorar la tecnología de ultrasonidos funcionales (fUS) para facilitar la obtención de imágenes tridimensionales, mejorando así la precisión.

El artículo, “Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain-machine interface”, se publicó en Nature Neuroscience el 30 de noviembre.

Read the original article on: SciTechDaily

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