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Resumen: La detección y decodificación de la actividad en las regiones cerebrales asociadas al procesamiento visual ha permitido a los investigadores determinar lo que ve una persona.
Hay personas que están atrapadas dentro de sus propias mentes, pues son capaces de pensar y sentir, pero no son capaces de expresarse porque una lesión o enfermedad cerebral han dañado sus líneas de comunicación con el mundo exterior.
Como un paso más para ayudar a personas que se encuentran en situaciones similares a la hora de comunicarse, los científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis han demostrado que pueden usar la luz para detectar lo que pasa dentro de sus cabezas. Los investigadores utilizan luz LED emitida desde el exterior de la cabeza hacia adentro para detectar actividad en el área del cerebro responsable del procesamiento visual y luego decodificar las señales cerebrales para determinar lo que ve la persona. Lograr esta tarea requirió el desarrollo de herramientas de neuroimagen y técnicas de análisis que acercan este campo con un paso más hacia la solución de un problema mucho más complejo, el de decodificar el lenguaje.
El estudio, disponible en línea en la revista NeuroImage, demuestra que la tomografía óptica difusa de alta densidad (HD-DOT), una tecnología de imágenes cerebrales no invasiva, portátil y basada en la luz, es lo suficientemente sensible y precisa como para ser potencialmente útil en aplicaciones como la comunicación aumentativa que no se adaptan bien a otros métodos de imágenes.
«La resonancia magnética podría usarse para decodificar, pero requiere un escáner, y no se puede esperar que alguien se acueste en un escáner cada vez que quiera comunicarse», dijo el autor principal Joseph P. Culver, PhD, profesor de Radiología de Sherwood Moore en el Instituto de Radiología Mallinckrodt de la Universidad de Washington. “Con este método óptico, los usuarios podrían sentarse en una silla, ponerse una gorra y usar potencialmente esta tecnología para comunicarse con las personas. Aún no lo hemos logrado, pero estamos progresando. Lo que hemos demostrado en este estudio es que, mediante la tomografía óptica, podemos decodificar algunas señales cerebrales con una precisión superior al 90%, algo muy prometedor».
Cuando la actividad neuronal aumenta en cualquier región del cerebro, la sangre oxigenada se apresura a alimentar la actividad. HD-DOT utiliza luz para detectar el torrente sanguíneo. Los participantes usan una gorra equipada con docenas de fibras que transmiten la luz de pequeños LED a la cabeza. Una vez que la luz se transmite a través de la cabeza, los detectores capturan cambios dinámicos en los colores del tejido cerebral como resultado de los cambios en el flujo sanguíneo.
Culver, primer autor y estudiante de posgrado del Kalyan Tripathy, y sus colegas se propusieron evaluar el potencial de HD-DOT para decodificar señales cerebrales. Comenzaron con el sistema visual porque es una de las funciones cerebrales mejor comprendidas. Hace tiempo, los neurocientíficos elaboraron un mapa detallado de la parte visual del cerebro mostrando a los participantes patrones de tablero de ajedrez intermitentes en una pantalla e identificando las unidades 3D, conocidas como vóxeles, en el cerebro que se activaron en respuesta a cada patrón. La decodificación es el intento de revertir el proceso: detectar vóxeles activos y luego deducir qué patrón de tablero de ajedrez desencadenó ese patrón de actividad cerebral.
Cuando la actividad neuronal aumenta en cualquier región del cerebro, la sangre oxigenada se apresura a alimentar la actividad. HD-DOT utiliza luz para detectar el torrente sanguíneo. La imagen es de dominio público.
“Sabemos lo que está viendo el participante, por lo que podemos verificar qué tan bien nuestra decodificación coincide con la realidad”, dijo Culver, que también es profesor de física, ingeniería eléctrica, de sistemas y de ingeniería biomédica. «Yendo a algo que estaba bien validado, pudimos optimizar el diseño experimental, presionar más las estadísticas de la decodificación y obtener un rendimiento realmente muy alto».
Los investigadores empezaron por lo sencillo. Reclutaron a cinco participantes para múltiples carreras de cinco a diez minutos en las que a los participantes se les mostraba un patrón de tablero de ajedrez en el lado izquierdo o derecho del campo visual durante unos segundos a la vez, intercalados con descansos durante los cuales no se mostraba ninguna imagen.
Usando una carrera como plantilla, los investigadores analizaron los datos de otra carrera para determinar cuándo el tablero de ajedrez estaba en uno u otro lado de la pantalla. Repitieron este análisis utilizando diferentes ejecuciones como plantilla y prueba hasta que analizaron todos los emparejamientos posibles.
Los investigadores pudieron identificar la posición correcta del tablero de ajedrez (izquierda, derecha o no visible en absoluto) con una precisión del 75% al 98%. Si bien la decodificación tuvo más éxito cuando se usó la misma persona para la ejecución de la plantilla y la ejecución de la prueba, los patrones de una persona podrían usarse para decodificar la actividad cerebral de otra persona.
Las áreas en la parte posterior del cerebro se activan cuando una persona observa una imagen. Los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis han utilizado la luz para decodificar las señales cerebrales e identificar qué imagen ve una persona.
A continuación, los investigadores hicieron el problema más complejo. Mostraron a los participantes una cuña de tablero de ajedrez que giraba a 10 grados por segundo. Tres participantes se sentaron durante seis carreras de siete minutos en dos días separados. Usando la misma plantilla y estrategia de ejecución de prueba, los investigadores pudieron identificar la posición de la cuña dentro de 26 grados.
Los resultados son un primer paso hacia el objetivo final de facilitar la comunicación para las personas que luchan por expresarse debido a la parálisis cerebral, un accidente cerebrovascular u otras afecciones que provocan el síndrome de enclaustramiento, aseguraron los investigadores.
«Suena como un gran salto, desde un tablero de ajedrez hasta determinar qué palabras está verbalizando una persona de forma interna», dijo Culver. “Pero muchos de los principios son los mismos. El objetivo es ayudar a las personas a comunicarse, y lo que hemos aprendido al decodificar estos estímulos visuales es un paso sólido hacia ese objetivo».
Acerca de esta noticia de investigación neurotecnológica:
Fuentes:
Imagen: La imagen es de dominio público.
Investigación original: Acceso cerrado. “Decoding visual information from high-density diffuse optical tomography neuroimaging data” by Tripathy K, Markow ZE, Fishell AK, Sherafati A, Burns-Yocum TM, Schroeder ML, Svoboda AM, Eggebrecht AT, Anastasio MA, Schlaggar BL, Culver JP. NeuroImage
