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¿Será posible mover objetos con la fuerza de nuestra mente como lo hacen los Jedi o los Sith en las películas de Star Wars? La respuesta es que sí es posible hacerlo en la vida real, pero solo por medio de una interfaz cerebro computadora (BCI, por sus siglas en inglés) que es un sistema que traduce la actividad electrofisiológica, la cual es generada por los cambios electroquímicos de las neuronas (potenciales eléctricos) en señales que pueden ser medibles por un dispositivo electromecánico.

Es decir que tiene como objetivo proporcionar un canal de comunicación no muscular y tener una interacción entre la actividad eléctrica del cerebro y una computadora, con la cual podremos procesar las señales para tomar ciertas características y, por medio de algoritmos, controlar los dispositivos externos como sillas de ruedas, brazos robóticos, selección de objetos en un teclado virtual para la comunicación, o bien el control de un videojuego.

Existen varios métodos, invasivos y no invasivos, para medir estos potenciales eléctricos o actividad cerebral. Por ejemplo, un método invasivo es el electrocorticograma (ECoG) que es un implante de electrodos en la corteza cerebral; mientras que entre los métodos que se consideran no invasivos están la magneto encefalografía (MEG), la tomografía por emisión de positrones (PET), la imagen de resonancia magnética (fMIR) y la imagen óptica cercana al infrarrojo (fNIR); no obstante, estos métodos requieren de instalaciones y de equipos de mayor costo. En este sentido, una opción no invasiva, portátil y de bajo costo, es el electroencefalograma (EEG), por lo que es el más usado para BCI e investigaciones científicas.

El electroencefalograma

Un electroencefalograma nos permite comprender la función cerebral, así como el diagnóstico de estados disfuncionales en la neurología y en la psiquiatría, mediante la observación de las diferencias entre las señales eléctricas procedentes de los diferentes lugares en el cuero cabelludo. Gracias a esto, se puede monitorear la actividad eléctrica cerebral y ver qué partes son eléctricamente activas durante diferentes tipos de actividades, y qué tan alto es el potencial eléctrico de la actividad; la adquisición de estas señales son el primer paso para el diseño de una BCI.

Estas diferencias de potenciales eléctricos pueden ser leídas por medio de electrodos colocados en partes estratégicas en el cuero cabelludo. La ubicación está basada en el sistema 10-20 (llamado así por la distancia entre cada electrodo), donde 10 hace referencia al 10 % de la distancia total entre estos cuatro puntos fundamentales, mientras que el 20 % se refiere a la distancia total entre cada electrodo. También existen sistemas 10-10 o 5-5 que implican un mayor número de electrodos, pero estos son más usados en casos clínicos.

Los electrodos se ubican en cuatro puntos principales, a saber: el «nasion» que es donde termina la nariz entre las dos cejas, el «inion» que es la región anterior del cráneo y los dos últimos puntos son los preauriculares. Al colocarse los electrodos en cuero cabelludo, estos se identifican con una letra y un número: la letra corresponde a la zona del cráneo, haciendo alusión al lóbulo donde está el electrodo colocado (lóbulos frontal, temporal, pariental y occipital); la parte superior donde se hace un corte coronal (enfrente y atrás) se le coloca una C haciendo alusión a esta sección, ya que no hay ningún lóbulo que se llame central. Por su parte, los números pares se colocan del lado derecho, mientras que los impares van del lado izquierdo.

Los electrodos regularmente están hechos de cloruro de mercurio o plata de 1 a 3 mm de diámetro con conductores largos y flexibles que son contados a un amplificador y, generalmente, se utiliza un gel entre el electrodo y el cuero cabelludo para aumentar la conductancia, aunque ya se están usando electrodos secos que evitan el uso de gel.

El ancho de banda del electroencefalograma va de 0.5 Hz a 100 Hz y se encuentra en un rango de 0 a 300 mV, la mayor parte del tiempo son asíncronas y no presentan un patrón; sin embargo, cuando sí hay presencia de patrones, regularmente se asocia con la existencia de patologías cerebrales o con ciertas ondas de funcionamiento normal.

 

Unión entre el cerebro y la computadora.

Interfaz cerebro computadora (BCI)

Una BCI debe de ser capaz de detectar patrones específicos de las señales provenientes del cerebro en un ordenador y procesarlas recolectando la señal resultante. Este proceso se lleva a cabo de la siguiente manera: primero se hace un preprocesamiento que consiste en la eliminación del ruido (señales que no se quieren estudiar ya sean musculares y cardiacas, principalmente), extracción de características, caracterización, clasificación, traducción y retroalimentación. Para ser considerado un sistema BCI debe cumplir las siguientes características:

 

• Capaz de adquirir la actividad cerebral que puede ser de manera invasiva o no invasiva.
• Proveer una realimentación al usuario.
• La realimentación debe ser en tiempo real, es decir, transcurrir en el preciso momento cuando se esté ejecutando.
• El usuario debe de ser capaz de realizar una actividad mental de manera intencional.

 Idea general de una interfaz cerebro computadora.

Los sistemas BCI se pueden clasificar en dos tipos: endógenos y exógenos, de acuerdo con la adquisición de los potenciales de las señales relacionadas con eventos.

Sistemas BCI endógenos. Están basados en los ritmos cerebrales, señales que van a depender del usuario sobre una actividad electrofisiológica originada internamente, las cuales pueden ser como la amplitud del electroencefalograma de la banda de frecuencia sobre un área del cuero cabelludo específico. Este sistema necesita tiempo de entrenamiento extenso. Asimismo, se clasifica en imágenes motoras y potenciales corticales lentos.

 

Imágenes motoras (ritmos sensoriomotores). Están relacionadas con el movimiento de cualquier músculo u órgano del cuerpo, haciendo un cambio en la actividad cerebral en el córtex, incluso la imaginación del movimiento de un músculo en particular u otras tareas mentales como la rotación de un cubo o la realización de cálculos aritméticos. Estos estímulos se registran sobre la zona somatosensorial y motora de la corteza cerebral.

 

Potenciales corticales lentos. Son ciertos cambios de voltaje generados en el córtex cerebral que ocurren entre los 0.5 s a 10 s, se asocian típicamente con el movimiento y otras funciones que implican una activación cortical. Los usuarios pueden aprender a controlar los potenciales corticales lentos con el uso de retroalimentación sonora o visual, pero el tiempo de entrenamiento es muy extenso, entre dos semanas a meses con un mínimo de dos horas diarias para obtener un 75 % o más de acierto.

Sistema BCI exógeno. Son sistemas basados en potenciales relacionados con eventos que dependen de la actividad electrofisiológica originada externamente, dicha actividad es evocada por un estímulo en específico. Este sistema no necesita un entrenamiento muy extenso, pero sí un entorno estructurado para producir estos estímulos. A este grupo pertenecen los potenciales P300, basados en potenciales por eventos visuales, en potenciales por eventos visuales de estado estable (SSVEP) y en potenciales por eventos auditivos.

Los eventos P300, usualmente son estímulos visuales que parpadean en una secuencia aleatoria, este estímulo va a evocar una característica llamada P300 que aparece en la región pariental y central del córtex cerebral. Estos estímulos de interés, al no ser frecuentes y estar mezclados con otros estímulos mucho más comunes, provocan la aparición del potencial; a los 300 ms se puede captar la respuesta evocada, de ahí el nombre. No ocupan demasiado tiempo de entrenamiento y se logran elevados porcentajes de precisión.

 

Los potenciales por eventos visuales son cambios eléctricos del cerebro generados por una respuesta de estímulo visual, mostrando las propiedades cuyas características dependen del tipo de estímulo visual. Estos potenciales se pueden captar en la zona occipital del cuero cabelludo y presentan una serie de características definidas en cuanto a la amplitud y a la frecuencia, relajando el mecanismo de procesamiento de información a nivel visual en el cerebro. Los que corresponden a bajas tasas de estímulos son categorizados como transitorios.

 

Los potenciales por eventos visuales de estado estable (SSVEP) requieren de un estímulo visual que está relacionado a un comando para realizar una acción. Son estímulos que parpadean repetidamente a diferentes frecuencias en un rango entre 5 y 6 Hz o mayor, la amplitud y la fase de los SSVEP son altamente sensibles a los parámetros de los estímulos, tales como la tasa de repetición, el contraste o la profundidad de modulación, así como la distancia entre los estímulos y la frecuencia espacial, estos parpadeos alteran la actividad neuronal y así se modularan estos eventos. Se pide que el usuario contemple de forma fija una pantalla donde los estímulos se presentan por periodos cortos de tiempo (unos pocos minutos). Se sugiere que cuando se centra su atención selectivamente en un estímulo particular, se va a observar una actividad neuronal elevada, proporcionando una mejor respuesta de este potencial. Los estímulos se dan por medio de pantallas LCD, tableros tipo ajedrez, estímulos con líneas o parpadeos con luces LED.

 

Los potenciales por eventos auditivos se detectan en el electroencefalograma sobre la zona auditiva de la corteza cerebral; si se presenta al usuario sonidos fuertes a diferentes frecuencias y se le pide que se concentre en alguno de estos estímulos, genera un potencial a la misma frecuencia que el estímulo.

 

Actualmente existen varios dispositivos comerciales para la lectura del electroencefalograma, cada uno con diferentes características, dependiendo de lo que se quiera estudiar, como la posición y cantidad de electrodos, de acuerdo con el sistema 10-20, así como el tipo de electrodos que tienen. Sus principales usos comerciales van para la implementación BCI, así como para controles de videojuegos basados en el electroencefalograma, en aplicaciones para deportes, entre otros.

 

Para obtener estas señales es necesario estudiar las características físicas y el software de los dispositivos en el mercado. Actualmente, los más populares por su precio y características son los de la empresa Emotiv (https://www.emotiv.com), así como los de OpenBCI (https://openbci.com).

 

Para Saber más: 

Fraga, S.M.F. (2018). Diseño de algoritmos basados en inteligencia colectiva animal para el diseño de interfaces cerebrales basadas en neuro-mecanismos por eventos visuales. Tesis. http://ri-ng.uaq.mx/handle/123456789/1255

 

Peña-Álvarez, A.M. (2015). Desarrollo de interfaz cerebro-máquina basada en el análisis de EEG y potenciales visuales evocados en estado estable para el control de un objeto. Tesis. https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstream/handle/1992/17442/u713614.pdf?sequence=1

 

Villegas-Méndez, B.M. y Rojas-Fernández, M.G. (2019). Interfaz cerebro ordenador BCI mediante el uso de Emotiv Insight. Acta Nova, 9(1), 3-31. http://www.scielo.org.bo/scielo.php?pid=S1683-07892019000100002&script=sci_arttext

 

 

David Manuel Carmona-Peña. Estudiante del Programa de Maestría en Ciencias y Tecnologías Biomédicas, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Puebla, México.

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