Apuntes sobre Brain-Computer Interface (IV): Técnicas no invasivas

Con este post termino el repaso ligero de tecnologías aplicadas en el campo del Brain-Computer Interface (BCI) para captación de información. Un repaso basado en el libro 'Brain-Computer Interfacing. An Introduction' de Rajesh P. N. Rao y un post que aún tendrá continuidad en, al menos, un dos o tres artículos más.

De momento, y para poner el broche a las soluciones de captación y información, en este artículo comento las técnicas no invasivas, es decir, aquellas que no suponen un contacto directo con el cerebro o sistema nervioso y que, en este caso, se basan fundamentalmente en la detección de cambios ya sea en ondas electromagnéticas emitidas por el cerebro o en alteraciones en el flujo sanguíneo.

Con base en la referencia citada, nos encontramos con cuatro grupos de tecnologías:

• Electroencefalografía (EEG)
• Resonancia Magnética Funcional (fMRI)
• Magnetoencefalografía (MEG)
• Espectroscopía funcional del infrarrojo cercano (fNIR)

Electroencefalografía (EEG)

La electroencefalografía (Electroencephalography, EEG), no sólo es una técnica muy utilizada sino quizá, también, la más conocida popularmente, e implica la detección y registro de las señales eléctricas en el cuero cabelludo para lo que emplea unos electrodos. 

La electroencefalografia detecta la agregación de potenciales post-sinápticos en las dendritas de las neuronas, potenciales que sirven como entradas de las neuronas. En concreto, detecta los de las neuronas orientadas radialmente respecto al cuero cabelludo, pero no las orientadas tangencialmente. Tampoco detecta las corrientes profundas del cerebro.

Se trata de una técnica que no entra en detalle de pequeños grupos de neuronas sino que, al contrario, detecta y modula la respuesta de grandes poblaciones de neuronas usando dos enfoques fundamentales: mediante el entrenamiento del sujeto durante un periodo de tiempo pero sin someterlo a estímulos externos (enfoque denominado 'self-paced' o asíncrono) o bien, mediante la aplicación de estímulos que activen grandes regiones neuronales (enfoque denominado síncrono)

En la referencia citada, continúa con una larga descripción de técnicas, subconjuntos de señales y posibilidades de la EEG. Así, y resumiendo mucho, se nos habla de:

• Potenciales oscilatorios y ERD: Se ha conseguido que las personas aprendan a controlar ciertos ritmos cerebrales que se manifiestan en potenciales oscilantes en ciertas frecuencias. Así, por ejemplo, se ha detectado que cuando un sujeto realiza un cierto movimiento disminuye la potencia en las bandas mu (8-12 Hz) o beta (13-30 Hz). Esto es lo que se conoce como desincronización o 'event-related desynchronization' (ERD)


• Potenciales corticales lentos ('slow cortical potentials', SCP): Se trata de variaciones en la amplitud de las señales no ligadas a movimiento y que se extienden desde 300 milisegundos hasta varios segundos. Se ha comprobado que las personas pueden, tras un entrenamiento, regular voluntariamente esos potenciales, lo que pude ser utilizado para generar acciones en máquinas, por ejemplo, en individuos con limitaciones motoras. 


• Potenciales relacionados con el movimiento ('movement related potentials', MRP): Las señales EEG muestran pequeños desplazamientos con anterioridad a movimientos voluntarios. Este tipo de variaciones permiten no sólo detectar la intención de hacer un movimiento sino, incluso, distinguir entre izquierda y derecha. Por contra, se trata de variaciones pequeñas no fáciles de detectar. 


• Potenciales evocados por estímulos ('evoked potentials', EP): Se trata de respuestas estereotípicas generadas por el cerebro cuando se somete al sujeto a un cierto tipo de estímulo. 


• BCI basados en tareas cognitivas: Se trata de la discriminación de las áreas que se activan en el cerebro cuando se pide a un sujeto que realice una tarea de tipo cognitivo (por ejemplo, cálculos aritméticos, imaginar un movimiento de un objeto o imaginar una cara). Se pueden generar modelos clasificadores de esa actividad cerebral entrenados con datos procedentes del propio sujeto. 


• Potenciales de error: En este caso se trata de detectar errores en los BCI basándose en la propia reacción del cerebro ante el error. Se manifiestan como un caso particular de SCP en un potencial que se conoce como ErrP ('error potential'). Esto puede ayudar a mejorar la precisión de los BCIs.


• BCIs co-adaptativos: Muchas soluciones EEG se basan en recoger información de un sujeto y usar esa información para entrenar un modelo clasificador, como vimos en el caso de las tareas cognitivas. El problema es que las señales cerebrales varían en el tiempo, entre sesiones e incluso dentro de la misma sesión debido a cambios internos en el sujeto y externos a él. En los BCI co-adaptativos, el modelo de adapta de forma continua y, a la vez, las propias señales del cerebro se van adaptando a cada tarea particular. Se llaman co-adaptativos porque tanto el modelo como el propio individuo se adaptan simultáneamente. 


• BCIs jerárquicos: Se trata de un enfoque que combina las técnicas invasivas (que permiten un control más fino) con las no invasivas para unas instrucciones de más alto nivel.

Resonancia Magnética Funcional (fMRI)

La resonancia magnética funcional ('Functional Magnetic Resonance Imaging', fMRI), mide la actividad neuronal en el cerebro de manera indirecta detectando cambios en el flujo sanguíneo debidos a la mayor activación de neuronas en un área concreta del cerebro.

Se trata de una técnica que se ha hecho muy popular en publicaciones divulgativas en materia científica y técnica, por su capacidad para detectar qué partes del cerebro intervienen en qué situaciones y con ello ir trazando una especie de 'mapa cerebral'.

De cara a su uso en BCI es importante, aparte de la detección de la actividad neuronal, determinar si un sujeto es capaz, de alguna forma, de controlar ese flujo.

Magnetoencelografía (MEG)

La Magnetoencefalografía ('Magnetoencephalography', MEG) mide los campos magnéticos que se producen debido a la actividad eléctrica. Para ello usan unos dispositivos conocidos como SQUIDS ('Supercoducting Quantum Interference Devices').

Una ventaja de la magnetoencefalografía respecto a la electroencefalografía es que esos campos magnéticos no sufren distorsión al atravesar materia orgánica como el cráneo o cuero cabelludo. Por contra, son sistemas mas caros, voluminosos y no portátiles, además de requerir de una habitación apantallada para evitar interferencias externas.

Espectroscopía Funcional del Infrarrojo Cercano (fNIR)

Se trata de una técnica óptica que mide cambios en la oxigenación de la sangre causada por cambios en la actividad neuronal. Se basan en la detección de la absorción de luz cercana a la infrarroja en la hemoglobina en función del nivel de oxígeno. 

De esta forma, y de un modo similar a la fMRI, proporciona información indirecta sobre la actividad cerebral. Es menos engorrosa que fMRI pero más sujeta a ruido y ofrece una menor resolución espacial.

En su uso en BCI se ve con frecuencia como una técnica fácil de usar y que no requiere mucho entrenamiento del sujeto.

Siguiente paso 

Con esto finalizamos el breve repaso por las técnicas no invasivas.

No se acaba aquí, todavía, esta serie de posts dedicados a los fundamentos de BCI. Si en los tres últimos, incluido este, el foco eran técnicas y soluciones sobre todo orientadas a detectar la actividad neuronal, en el siguiente hablaremos del envío de estímulos a los nervios y el cerebro.

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