Apuntes sobre Brain-Computer Interface (V): Técnicas de estimulación

Este post es un nuevo paso en la revisión de los fundamentos del Brain Computer Interface (BCI) que estoy haciendo en sucesivos artículos basándome para ello en el contenido del libro 'Brain-Computer Interfacing. An Introduction' de Rajesh P. N. Rao.

En los últimos tres posts de esta serie vimos el panorama de técnicas utilizadas, tanto las invasivas, como las no invasivas o las semi-invasivas. Las técnicas presentadas estaban fundamentalmente orientadas a captar señales del cerebro o sistema nervioso, señales que, convenientemente analizadas e interpretadas, puede ser utilizadas, por ejemplo, para activar algún dispositivo externo como un brazo robótico.

Es esta ocasión vamos a revisar, brevemente, algunas técnicas que actúan en sentido contrario, es decir, lo que hacen son generar algún tipo de señal desde una máquina, señal que se va a transmitir al cerebro o sistema nervioso.

En la fuente de que partimos, distingue entre dos tipos de soluciones de estimulación: la estimulación sensorial y la estimulación motora.

Veamos algunos casos.

Restauración de la audición: implantes cocleares 

Implante coclear

Se trata, probablemente, de una de las aplicaciones prácticas más exitosas del BCI.

El sonido es una onda de presión que puede descomponerse en sus frecuencias constitutivas. El oído humano funciona de forma que unas fibras nerviosas son las que detectan las vibraciones y, según en qué zona concreta se encuentren, son sensibles a unas frecuencias u otras. Los implantes cocleares lo que hacen es estimular las diferentes partes de la cóclea (donde se encuentran las fibras) en función de las frecuencias de los sonidos.

Para ello los implantes cocleares constan de:

• Un micrófono (que se sitúa cerca de la oreja) y que capta los sonidos


• Un procesador de señal, situado externamente (detrás de la oreja)  que hace el análisis de frecuencia de los sonidos  


• Un transmisor, también externo y situado cerca de la oreja que transmite por radiofrecuencia y a través de la piel a un receptor interno.


• el receptor y estimulador ya embebido detrás de la oreja en el cráneo y que convierte las señales recibidas en impulsos eléctricos


• un array de electrodos con hasta 22 de estos electrodos situados a lo largo de la cóclea para transmitir impulsos eléctricos a las fibras nerviosas en diferentes localizaciones.

Una limitación de los implantes actuales es, precisamente, que usan sólo 22 electrodos cuando en la cóclea hay unas 20.000 células, así que el sonido percibido es muy diferente al de una audición natural.

Restauración de la visión: implantes corticales y retinales

La restauración de la visión va por detrás en cuanto a desarrollo al caso de la audición. En general lo que buscan restaurar la visión de individuos afectados por enfermedades que destruyen los fotorreceptores como sucede en el caso de la retinitis pigmentosa o bien enfermedades degenerativas como la degeneración macular.

En este caso, los implantes transforman la luz en una estimulación eléctrica de las neuronas o fibras nerviosas. Se estudian diferentes zonas donde aplicar estos implantes como son el córtex visual (implantes corticales), la superficie de la retina (implantes retinales) o el propio nervio óptico, siendo este último el mas complicado.

Deep Brain Stimulation (DBS)

En este caso, lo que estimulamos son partes específicas del cerebro usando una especie de 'marcapasos cerebral' de cara a aliviar movimientos como los producidos por el Parkinson o desórdenes afectivos como el sufrimiento crónico. Igualmente se está estudiando como tratamiento para la depresión, la epilepsia o el síndrome obsesivo-compulsivo.

Esquema de DBS

Típicamente constan de una guía ('lead') terminada en los electrodos estimuladores, y situados dentro del cerebro, un generador de pulsos y un cable conector que une ese generador de pulsos con la guía.

La guía y sus electrodos se implantan en diferentes partes del cerebro dependiendo de aquello que se quiera tratar. El generador de pulsos produce pulsos de estimulación a una frecuencia fija y adaptada a las necesidades del paciente.

Los riesgos asociados a esta técnica son las posibles infecciones o sangrados, complicaciones en la cirugía y algún posible efecto colateral como alucinaciones o comportamientos compulsivos. A pesar de ello, se puede considerar una técnica bastante exitosa y con mucho futuro.

Aumento sensorial

Se trata de, aprovechando la plasticidad y adaptabilidad del cerebro, intentar que  sea capaz de percibir y procesar señales como los ultrasonidos o la luz infrarroja. Con ello, estaríamos dotando al sujeto con unas capacidades perceptivas superiores a las de una persona normal.

Algunos experimentos parecen mostrar que esta línea de trabajo es viable.

Seguimos

No se acaba aún la serie de posts dedicados a Brain Computer Interface. Pero en el próximo cambiaremos un poco el enfoque, mirando algo menos la tecnología y analizando más bien las aplicaciones. 

Artículos de este blog relacionados

• Apuntes sobre Brain-Computer Interface (IV): Técnicas no invasivas
• Apuntes sobre Brain-Computer Interface (III): Técnicas Semi-invasivas
• Apuntes sobre Brain-Computer Interface (II): Técnicas Invasivas
• Apuntes sobre Brain Computer Interface (I): ¿De qué va eso del BCI?