Explicación de las interfaces cerebro-computadora (BCI)

Las interfaces cerebro-computadora (BCI) son dispositivos que crean una vía de comunicación directa entre la actividad eléctrica del cerebro y una salida externa. Sus sensores capturan señales electrofisiológicas transmitidas entre las neuronas del cerebro y transmiten esa información a una fuente externa, como una computadora o una extremidad robótica, lo que esencialmente permite que una persona convierta sus pensamientos en acciones.

Estos chips cerebrales se colocan sobre el cuero cabelludo en un dispositivo portátil, se colocan quirúrgicamente debajo del cuero cabelludo o incluso se implantan dentro del tejido cerebral. La idea es que, cuanto más cerca esté el chip de la red neuronal del cerebro, más clara o de "alta definición" se puede interpretar una señal.

Una interfaz cerebro-computadora (BCI) es un dispositivo que permite que el cerebro humano se comunique y controle software o hardware externo, como una computadora o una extremidad robótica.

Una vez que un tropo de ciencia ficción cyborgiana se convirtió en realidad a principios de la década de 2000, las interfaces cerebro-computadora ahora están en auge, y se espera que el mercado de $ 1.74 mil millones crezca a $ 6.18 mil millones para fines de la década. A medida que avanza la investigación en tecnologías de la salud y crece la demanda, las nuevas empresas se están posicionando como pioneras en la nueva ola de interacción humano-computadora.

Ramses Alcaide, CEO de la startup de neurotecnología Neurable, que desarrolla interfaces cerebro-computadora no invasivas en forma de auriculares, ve potencial para que los dispositivos mejorados con BCI se conviertan en un elemento cotidiano para la persona promedio.

"Si podemos hacer que las interfaces cerebro-computadora sean accesibles y lo suficientemente fluidas, entonces pueden integrarse en nuestra vida diaria, tal como usamos los teléfonos inteligentes o las computadoras portátiles hoy en día", dijo Alcaide a Built In. "Pero para convertirse realmente en una herramienta omnipresente, deben ser lo suficientemente cómodos, intuitivos y confiables para que las personas puedan usarlos sin pensar conscientemente en ellos, de manera similar a cómo usamos un mouse o un teclado para interactuar con una computadora".

Hoy en día, la aplicación más común de las interfaces cerebro-computadora consiste en mover un cursor con el pensamiento. Y aunque la mayoría de los proyectos permanecen en una fase experimental, algunos han avanzado a pruebas en humanos.

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Si bien las interfaces cerebro-computadora difieren en tipo y enfoque, todas están modeladas según la electrofisiología de la red neuronal del cerebro.

Cuando tomamos una decisión, o incluso pensamos en tomar una decisión, se disparan señales químicas eléctricas. Este fenómeno se localiza en nuestro sistema nervioso; más específicamente, en los espacios entre las neuronas, conocidos como sinapsis, ya que se comunican de un lado a otro.

Para capturar esta actividad cerebral, los BCI colocan electrodos próximos a estas conversaciones. Estos sensores detectan voltajes, midiendo la frecuencia y la intensidad de cada "pico" a medida que disparan o potencialmente disparan.

"Estamos captando la charla eléctrica de las neuronas del cerebro que se comunican entre sí".

"Es como un micrófono; pero en este caso, estamos escuchando actividad eléctrica en lugar de sonido", dijo Craig Mermel, presidente y director de productos de Precision Neuroscience, una empresa emergente que desarrolla un implante neural semiinvasivo y reversible. "Estamos captando la charla eléctrica de las neuronas del cerebro que se comunican entre sí".

Luego, esa información se alimenta a través de un software de computadora local, donde se traduce en un proceso conocido como decodificación neuronal. Aquí es donde una variedad de algoritmos de aprendizaje automático y otros agentes de inteligencia artificial toman el control, convirtiendo conjuntos de datos complejos recopilados de la actividad cerebral en una comprensión programable de cuál podría ser la intención del cerebro.

"El objetivo a corto plazo [de las interfaces cerebro-computadora] es devolver las habilidades a quienes las han perdido", dijo Sumner Norman, científico de la empresa emergente sin fines de lucro Convergent Research y exjefe científico de interfaces cerebro-computadora en la firma de software AE. Estudio. "Pero a largo plazo, esta tecnología también pretende crear una especie de corteza terciaria u otro nivel de la función cerebral humana y una función ejecutiva que nos permitiría ser casi sobrehumanos".

Estos son algunos de los casos de uso más comunes de las interfaces cerebro-computadora:

Al proporcionar un ciclo de retroalimentación neuronal en tiempo real que reconfigura el cerebro, las BCI son capaces de restaurar el movimiento, la movilidad y la autonomía de los pacientes paralizados y discapacitados, mejorando su calidad de vida. En casos más crónicos, se integran dispositivos y miembros robóticos.

Los auriculares son una forma de ofrecer un enfoque no invasivo a las interfaces cerebro-computadora. Algunos aumentan la productividad y mejoran la concentración, como se ve con Enten de Neurable, mientras que otros restauran las funciones motoras de las extremidades superiores de una persona después de un accidente cerebrovascular, como el sistema IpsiHand de Neurolutions Inc.

Las personas no verbales, que pueden quedar atrapadas en un estado de "bloqueo" después de un derrame cerebral o una lesión grave, pueden usar el movimiento ocular para la comunicación aumentada por computadora.

En varios estudios, los usuarios han ejercido el control de las aplicaciones de redes sociales, administración de correo electrónico, asistentes virtuales y servicios de mensajería instantánea sin habilidades motoras. Atenuar las luces o cambiar el canal de un televisor son ejemplos de cómo se pueden adaptar las BCI en el hogar.

El Departamento de Defensa ha financiado investigaciones para desarrollar drones manos libres para uso militar. Esto permitiría a los soldados controlar telepáticamente enjambres de vehículos aéreos no tripulados.

La compañía de neurotecnología, encabezada por Elon Musk, está desarrollando un implante quirúrgico del tamaño de una moneda. Para monitorear la actividad cerebral lo más cerca posible, el dispositivo de Neuralink, el Link, utiliza cables de electrodos de escala micrométrica que se abren en abanico hacia el cerebro. Su objetivo principal es tratar la parálisis. Además de un "Fitbit para tu cráneo", la startup está construyendo un robot de dos metros y medio para colocar los hilos neurales.

La puesta en marcha de la interfaz cerebro-computadora está creando software y hardware, en forma de auriculares, que interpretan las señales cerebrales para aumentar la productividad. Su primer par, Enten, utiliza técnicas avanzadas de análisis de datos y procesamiento de señales para maximizar los períodos de máxima concentración de los usuarios a lo largo del día. El dispositivo portátil mejorado con BCI silencia automáticamente las notificaciones, activa la cancelación de ruido y activa "No molestar". También rastrea cómo las diferentes canciones y géneros afectan el enfoque de los usuarios, luego recomienda listas de reproducción personalizadas y sugiere descansos.

La plataforma neuronal se acerca a los sistemas de interfaz cerebro-computadora con un chip cerebral implantado quirúrgicamente que es mínimamente invasivo y completamente reversible. La interfaz cortical de la capa 7 es una película delgada de microelectrodos, de aproximadamente 1,5 centímetros de largo y una fracción de cabello de grosor, que se ajusta a la corteza del cerebro justo debajo del cráneo sin dañar ningún tejido. La tecnología de Precision quiere incorporar las BCI de los laboratorios de investigación a pequeña escala a las instalaciones médicas como una forma de tratar enfermedades neurológicas.

Respaldada por Bill Gates y Jeff Bezos, la compañía de medicina bioelectrónica está mapeando el cerebro a través de los vasos sanguíneos. Insertado a través de la vena yugular, el Stentrode es una neuroprótesis colocada en el seno sagital superior cerca de la corteza motora. El chip de aleación flexible de ocho milímetros transmite señales neurológicas a una unidad receptora implantada en el pecho del paciente, que luego traduce los pensamientos en clics y pulsaciones de teclas en una computadora o dispositivo móvil en tiempo real. Synchron recibió la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. para ensayos clínicos en humanos en 2021, con un total de cuatro pacientes hasta el momento, según la revista médica JAMA Network.

La plataforma de neurotecnología ha estado probando sus dispositivos en humanos desde 2004 en sus dos décadas de desarrollo de interfaz cerebro-computadora. La cartera de productos de Blackrock ha ayudado a los pacientes a recuperar la función táctil, el movimiento de sus propias extremidades y prótesis, así como la capacidad de controlar dispositivos digitales únicamente con el pensamiento. Su último proyecto, Neuralace, es un parche de malla hexagonal flexible, más delgado que una pestaña, diseñado para adaptarse a las fisuras y surcos del cerebro. Su gran superficie puede capturar 10.000 canales neuronales, acercándose cada vez más a la captura de datos de todo el cerebro.

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Después de un curso de rehabilitación neurológica, los chips cerebrales y los dispositivos portátiles pueden dar a los pacientes un control directo sobre los exoesqueletos y las extremidades robóticas. Esto es posible mediante la lectura de señales directamente del cerebro, sin pasar por el sitio de la lesión o enfermedad, como una médula espinal cortada, y la actividad muscular en conjunto.

Con las interfaces cerebro-computadora, si puedes pensarlo, puedes hablarlo. Es solo una cuestión de qué tan rápido puede ponerse al día el software de decodificación neuronal.

Un equipo de la Universidad de Stanford descubrió que su chip cerebral podía hackear 62 palabras por minuto, lo que está al mismo ritmo que una conversación natural. El estudio presentó a un paciente no verbal que padecía esclerosis lateral amiotrófica y un vocabulario preprogramado de 125 000 palabras, lo que marca "un camino factible para usar interfaces cerebro-computadora del habla intracortical para restaurar la comunicación rápida a las personas con parálisis que ya no pueden hablar". ."

Un estudio señaló que las personas con ELA, parálisis cerebral, accidente cerebrovascular del tronco encefálico, lesiones de la médula espinal, distrofias musculares o neuropatías periféricas crónicas pueden beneficiarse de las BCI. Los implantes neurales pueden tratar afecciones o al menos mejorar la calidad de vida de los pacientes con diagnósticos crónicos o terminales.

Las interfaces cerebro-computadora algún día podrán aliviar condiciones psiquiátricas, como el trastorno bipolar, el trastorno obsesivo compulsivo, la depresión y la ansiedad.

Usando técnicas de neurorretroalimentación, también pueden ayudar a prevenir más condiciones de peatones como el agotamiento y la fatiga al brindar estimulación eléctrica dirigida a áreas específicas del cerebro.

"Puede que no parezca tan llamativo, porque alguien en la demostración se ve un poco más feliz", dijo Norman, cuya investigación en el Instituto de Tecnología de California como becario postdoctoral se centró en esta próxima generación de tecnología de interfaz cerebro-computadora. "Pero si te ofrecieran una solución donde dije, usando un solo dispositivo, puedo tratar cualquier forma de ansiedad que tengas, y también ofrecerte el sueño a pedido y otras cien aplicaciones que podrían hacer tu vida un poco mejor". fue, creo que bastantes personas adoptarían esa tecnología".

Los usuarios pueden entrenar sus cerebros (memoria, función ejecutiva y velocidad de procesamiento) con la biorretroalimentación que reciben de un implante neural en tiempo real. De manera similar a la tecnología portátil y las aplicaciones disponibles en la actualidad, los usuarios podrían monitorear sus estadísticas y autorregularse en consecuencia.

Si bien gran parte del cerebro sigue siendo un misterio, las BCI están creando un canal directo a nuestros pensamientos, completo con un proceso para decodificar su lenguaje.

"Las interfaces cerebro-computadora pueden usarse como una herramienta para comprender cómo funciona el cerebro", dijo Byron Yu, profesor de ingeniería eléctrica e informática e ingeniería biomédica en la Universidad Carnegie Mellon. El enfoque de su grupo de investigación es estudiar cómo aprende el cerebro.

"Si te doy una raqueta de tenis y practicas con ella, jugarás mejor al tenis. De manera similar, si te doy una interfaz cerebro-computadora y practicas con ella, mejorarás en el uso de la interfaz cerebro-computadora". ," él dijo. "Entonces podemos estudiar qué cambia en el cerebro mientras aprendes a usar el dispositivo. Nuestros hallazgos eventualmente conducirán a métodos para ayudar a las personas a aprender habilidades cotidianas más rápidamente y a un mayor nivel de competencia".

Las interfaces cerebro-computadora tienen más de medio siglo de investigación y varias pruebas de conceptos que pasaron pruebas en humanos. Entonces, ¿cuál es el retraso?

Los dos obstáculos más grandes que impiden que las BCI se adopten de forma generalizada tienen que ver con la aprobación regulatoria y la financiación.

Dado que las interfaces cerebro-computadora están registradas como una especie de dispositivo médico, se encuentran bajo la jurisdicción de la FDA. Independientemente del producto, la principal preocupación de la institución es la seguridad del paciente.

El desafío está en el hecho de que las BCI actualmente existen en una liga propia. Los dispositivos en sí reúnen una variedad de campos (materiales implantables, software crítico para la seguridad, Internet de las cosas y dispositivos médicos portátiles, por nombrar algunos) que aún no están estandarizados. No hay dispositivos predicados.

"Estas son nuevas categorías de dispositivos", dijo Mermel de Precision Neuroscience. "Entonces, hasta que haya un dispositivo que sea aprobado para el mercado por la FDA, es una pregunta abierta qué tipo de evidencia debe mostrar para demostrar que el beneficio de un dispositivo supera el riesgo".

Si las interfaces cerebro-computadora llegan a la práctica médica, ¿quién las pagará? ¿O para los trámites? ¿Y qué pasa con los seguimientos de verificación de estado, el mantenimiento continuo y las actualizaciones que respaldan la tecnología a lo largo del tiempo?

Determinar si la cuenta la pagan las compañías de seguros y de atención médica, los subsidios del gobierno o los pacientes de su propio bolsillo determinará en gran medida el nivel de accesibilidad de los dispositivos para el público y quiénes, según el nivel socioeconómico, están calificados para una calidad de vida mejorada por la tecnología. .

"Es importante priorizar las necesidades y perspectivas de los usuarios finales, especialmente los más vulnerables, como aquellos con discapacidades, y considerar las posibles implicaciones éticas de estas tecnologías", dijo Alcaide. "Debemos asegurarnos de que estas tecnologías no perpetúen los sesgos sociales ni exacerben aún más las desigualdades existentes".