El campo de la neurociencia y la tecnología de interfaz cerebro-computadora está avanzando rápidamente, con desarrollos que ocurren tanto en el lado del hardware como en el del software de la ecuación. Los hallazgos han pasado del ámbito de la experimentación al de la industria, donde pueden ser de utilidad para los consumidores finales. Hay una serie de empresas a la vanguardia del desarrollo y la producción de dispositivos BCI que son eficientes, seguros y confiables para que los utilicen quienes podrían beneficiarse al máximo de ellos. Entre estas empresas se encuentra Neuralink. Neuralink, cofundada en 2016 por Musk, Hodak y Merolla, aspira a desarrollar un dispositivo de entrada y salida generalizado que pueda interactuar con todo el cerebro a largo plazo. Para hacer realidad esta ambición a largo plazo, se están enfocando en el plan a corto plazo de desarrollar dispositivos BCI que puedan interactuar con una parte específica del cerebro y ayudar al usuario a realizar tareas específicas, como navegar por un dispositivo móvil. El año pasado, el equipo demostró un mono implantado con el dispositivo fabricado por Neuralink jugando al ping pong mental en una computadora. Este año, el dedicado equipo de ingenieros y neurocientíficos demostró el progreso actual del dispositivo Neuralink, las posibles aplicaciones y las perspectivas futuras de la empresa en el show and tell que tuvo lugar el 30 de noviembre de 2022. Elon, quien presidió la reunión , también mencionó que la compañía solicitó a la FDA la aprobación del uso del dispositivo en humanos y esperaba recibir noticias de la agencia en aproximadamente seis meses. El año pasado, el equipo demostró un mono implantado con el dispositivo fabricado por Neuralink jugando al ping pong mental en una computadora. Este año, el dedicado equipo de ingenieros y neurocientíficos demostró el progreso actual del dispositivo Neuralink, las posibles aplicaciones y las perspectivas futuras de la empresa en el show and tell que tuvo lugar el 30 de noviembre de 2022. Elon, quien presidió la reunión , también mencionó que la compañía solicitó a la FDA la aprobación del uso del dispositivo en humanos y esperaba recibir noticias de la agencia en aproximadamente seis meses. El año pasado, el equipo demostró un mono implantado con el dispositivo fabricado por Neuralink jugando al ping pong mental en una computadora. Este año, el dedicado equipo de ingenieros y neurocientíficos demostró el progreso actual del dispositivo Neuralink, las posibles aplicaciones y las perspectivas futuras de la empresa en el show and tell que tuvo lugar el 30 de noviembre de 2022. Elon, quien presidió la reunión , también mencionó que la compañía solicitó a la FDA la aprobación del uso del dispositivo en humanos y esperaba recibir noticias de la agencia en aproximadamente seis meses.

Progreso actual

Para mostrar y contar de este año, el equipo hizo una demostración de un mono que movía un cursor en la pantalla de la computadora para seleccionar el texto resaltado en el teclado virtual usando solo su actividad mental. Aunque un mono no sabe escribir y solo está entrenado para seleccionar la tecla resaltada, una persona cuadripléjica o tetrapléjica puede usar este dispositivo para escribir y navegar en una computadora simplemente usando su actividad cerebral. Microfabricado en conjuntos de película delgada flexible llamados "hilos" incrustados con electrodos, se implantó un dispositivo N1 de 1024 canales en el cerebro del mono. El dispositivo transmite la actividad neuronal al software de forma inalámbrica para su posterior análisis y decodificación.

Robot R1 e Ingeniería Quirúrgica

El robot R1, que es similar a un robot de costura, puede realizar una cirugía segura y escalable gracias a sus capacidades, como el agarre y la inserción precisos, el seguimiento preciso del movimiento cerebral y la evitación vascular. También montaron una pila óptica en la aguja, que constaba de tres partes: iluminación para ver las imágenes visibles, un sistema de interferometría láser OCT (tomografía de coherencia óptica) que proporcionaba la posición precisa del cerebro mientras se movía en tiempo real, e imágenes visibles de la región del cerebro donde se necesitaba insertar el hilo. Actualmente, el robot R1 solo inserta los hilos, lo que deja la craneectomía (la extirpación de una pequeña porción del cráneo para exponer la duramadre y luego el desprendimiento de la duramadre en la pequeña porción para exponer la región del cerebro) a los neurocirujanos. El equipo está trabajando actualmente en una forma de automatizar la craniectomía, o el proceso de cortar el cráneo para llegar a la duramadre, para la próxima generación de robots R1. También se mostró una demostración en vivo del robot inyectando los hilos en un proxy cerebral.

Detección de picos

El dispositivo N1 requiere energía como cualquier otro dispositivo electrónico para registrar la actividad neuronal y enviarla al software para su decodificación e implementación de tareas. Los ingenieros pudieron reducir el uso de energía del chip a 32 mV al incluir un módulo de detección de picos, que permite la transmisión de eventos de picos en lugar de la actividad neuronal sin procesar al software, logrando así la funcionalidad deseada con menos energía. Esto se logra aplicando un filtro de paso de banda con un rango de frecuencia de 500 Hz a 5 kHz a la actividad cerebral sin procesar y luego generando un umbral adaptativo basado en una estimación del ruido de fondo para cada canal individual. El módulo detector de picos puede detectar no solo la presencia del pico sino también su forma aproximada al ubicar tres puntos en el pico: los puntos izquierdo, medio y derecho. Esto es crucial para diferenciar entre grupos de neuronas adyacentes a un solo canal. Con esta técnica, también redujeron los accesos a la memoria en un 30 % dentro del chip.

Bateria cargando

La batería del dispositivo N1 también presenta algunas innovaciones impresionantes. La transferencia de energía inalámbrica se utiliza para cargar la batería incorporada. Dado que estaba conectado a un implante en el cerebro, hubo algunas dificultades que superar. El sistema debe operar sobre un amplio volumen de carga sin depender de imanes para la alineación. Además, la superficie exterior del implante que entra en contacto con el tejido cerebral no debe calentarse a más de 2 grados centígrados y debe ser resistente a la interrupción y a las altas tasas de carga. En su iteración actual, el paquete de baterías utiliza una carcasa de aluminio, un circuito de control que funciona a 6,78 MHz, una bobina remota que se puede quitar, frecuencias de conmutación más altas y un mejor acoplamiento de la bobina. Para acelerar el proceso de carga,

Decodificación neuronal

La trayectoria del cursor se predice a partir de la actividad neuronal pasándola a través de una red neuronal entrenada para decodificar la velocidad del cursor llamada decodificador neuronal. El decodificador primero se entrena con eventos de picos provenientes del dispositivo N1 mientras el mono mueve el puntero usando un joystick. La velocidad del cursor se predice usando el decodificador para mapear la trayectoria del cursor. Aunque escribir en un teclado virtual es rápido, no lo es tanto como escribir en un teclado convencional con nuestros diez dedos. Inspirándose en los investigadores de Stanford que desarrollaron un modelo de aprendizaje profundo para descifrar la escritura de una persona utilizando su actividad cerebral, el equipo intentó decodificar la trayectoria de la mano del mono mientras trazaba los dígitos y los caracteres en la pantalla. Con la ayuda de un clasificador de escritura a mano, podemos deducir qué carácter representa la trayectoria.

Confiabilidad BCI

Dada la naturaleza dinámica de la actividad cerebral, pueden ocurrir variaciones entre sesiones e incluso entre días. Por lo tanto, el rendimiento del decodificador puede variar mucho entre sesiones, lo que hace que la BCI no sea confiable. Para superar esto, los datos se recopilan durante varios días para entrenar al decodificador para que reconozca el patrón correcto en la variabilidad. Otro enfoque que usan para abordar esto es muestrear continuamente las estadísticas de la actividad neuronal en el implante y usar las últimas estimaciones para preprocesar el conjunto de datos antes de enviarlo al decodificador. La falta de fiabilidad del dispositivo se ve agravada por la larga latencia necesaria para que un pico cerebral influya en la ubicación del puntero del ratón en la pantalla. El uso de bloqueos de fase garantiza que el cursor se pueda mover con precisión y facilidad. Phase bloquea el tiempo del comienzo de cada paquete enviado desde el implante para que coincida con la activación de la radio Bluetooth. Como resultado, el pico del cerebro se introduce en la tubería de predicción con el menor retraso posible.

Actualizaciones futuras en dispositivos de próxima generación

El equipo de Neuralink ahora está desarrollando versiones mejoradas del dispositivo N1 y el robot R1 para hacer que el sistema BCI sea más fácil de usar, efectivo y duradero para los humanos. Una mejora potencial en el futuro es hacer que el dispositivo sea fácilmente intercambiable en caso de que se realicen actualizaciones después de que se haya implantado en el cerebro. Una vez que se ha extraído la duramadre, el dispositivo N1 actual debe implantarse directamente en la superficie del cerebro, lo que hace que el reemplazo del dispositivo sea extremadamente desafiante debido a la formación de una cápsula de tejido difícil de desalojar alrededor del implante. El equipo de Neuralink está trabajando para resolver este problema mediante el desarrollo de un dispositivo que no requiere la extracción de la duramadre, sino que se implanta encima de ella. Esto también hace que la cirugía sea más segura y sencilla. Sin embargo, esto presenta su propio conjunto de dificultades porque la duramadre es una red densa de fibras de colágeno que dificulta la inyección de hilos y la visualización de la sección que se inyecta. Se están probando iteraciones del diseño de la aguja para encontrar la mejor estructura posible para inyectar el hilo más allá de la duramadre y dentro del cerebro. El grupo está desarrollando un dispositivo de imagen óptica único que puede obtener imágenes de los vasos sanguíneos debajo de la piel con un tinte fluorescente que se usa actualmente en la práctica médica. Además, el grupo está trabajando para mejorar el proxy del cerebro mediante la creación de material sintético que se asemeje física, química y estructuralmente a los tejidos humanos. Probarán varios diseños de agujas y procedimientos quirúrgicos en este muñeco cerebral antes de someter a un animal a pruebas experimentales.

Aplicaciones potenciales

Restauración de la visión

El dispositivo Neuralink actual tiene el potencial de restaurar la visión en personas que han perdido la vista debido a lesiones oculares u otras enfermedades. Además de capturar la actividad cerebral, el dispositivo también puede simular neuronas inyectando corrientes por el canal. Esto facilita la creación de imágenes mentales sin el uso de los ojos. La gran cantidad de electrodos en el dispositivo también es útil para restaurar la vista, ya que cuanto mayor sea la cantidad de electrodos, mayor será la densidad de la imagen que se creará. La parte visual del cerebro se encuentra en lo profundo del cerebro; por lo tanto, el robot puede inyectar el hilo directamente en esta zona, por lo que el dispositivo es ideal para prótesis visuales. Muchos hallazgos de investigación en neurociencia visual han descubierto que una sola neurona en la corteza visual del cerebro refleja una pequeña parte del campo visual. Nuestra percepción está hecha de una colección de diminutos campos receptivos pertenecientes a cada célula de la corteza visual. Cada celda está representada por un píxel virtual que el espectador puede percibir incluso sin ayuda visual mediante simulación directa. Para que esto sea útil como prótesis visual, la simulación de una sola célula debe ampliarse a muchas células, cada una de las cuales representaría una parte diferente del campo visual. Para que esto funcione, una cámara de alta resolución capturará la escena frente al usuario y luego la imagen se traducirá en un patrón de estimulación eléctrica para el cerebro visual. El objetivo del equipo para el dispositivo de próxima generación es incluir electrodos de 16K; esto permitiría que la imagen se transformara en 32 000 puntos que podrían activarse en la corteza si el dispositivo se colocara en la corteza derecha e izquierda.

Aplicación de la médula espinal

A medida que las intenciones motoras viajan a través de la médula espinal hacia el músculo, una persona con una lesión en la médula espinal pierde la capacidad de transmitir estas intenciones desde el cerebro a los músculos específicos para un movimiento real. El dispositivo N1 puede proporcionar los estímulos apropiados a las neuronas de la médula espinal que pueden activar el músculo subsiguiente, lo que permite que la persona con una lesión en la médula espinal interactúe fácilmente con su entorno y se mueva. Para ello, el equipo investigó la actividad de la médula espinal, la actividad de la corteza motora y los ángulos de unión para decodificar el patrón de simulaciones que pueden provocar la contracción muscular. También exploraron la posibilidad de simular las neuronas de la corteza somatosensorial para proporcionar retroalimentación táctil. Los hilos de la corteza motora registran picos, que se decodifican en un patrón de simulación y luego se transmiten de forma inalámbrica en tiempo real al dispositivo de la médula espinal para activar el músculo apropiado y producir movimiento. En un circuito cerrado perfecto, la información sensorial en la médula espinal se captura como picos, se decodifica en patrones de estimulación y se comunica al dispositivo en el cerebro, donde estimula la corteza somatosensorial para brindarle a la persona la experiencia del tacto.

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Publicado originalmente en https://thebrainybits.com el 4 de diciembre de 2022.