Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Atrapa una Onda Cerebral y Enséñale a Comunicarse

Wednesday, July 22, 2009

El cuadro derecho muestra una persona severamente discapacitada por esclerosis lateral amiotrófica (ELA) utilizando el sistema Wadsworth de interfaz cerebro-computadora (BCI) en su casa. Usa un gorro con electrodos en 8 canales para registrar las señales de las ondas cerebrales (EEG) que controla el BCI. El cuadro izquierdo muestra una toma de cerca de la pantalla de su computadora. Una matriz destellante con posibles selecciones se encuentra en la parte derecha de la pantalla, un editor de texto se encuentra en la parte superior izquierda, y un programa deletreador predictivo se encuentra en la parte inferior izquierda. Con este sistema, puede usar cualquier programa de Windows que pueda ser operado con un teclado. (Fotografía cortesía del Centro Wasdworth, del Departamento de Salud del Estado de Nueva York).

The right panel shows a person severely disabled by amyotrophic lateral sclerosis (ALS) using the Wadsworth brain-computer interface (BCI) system in his home. He wears an 8-channel electrode cap to record the brainwave (EEG) signals that control the BCI. The left panel shows a close-up of his computer screen. A flashing matrix of possible selections is located on the right of the screen, a text editor is located at the top left, and a predictive speller program is located at the bottom left. With this system, he can use any Windows-based program that can be operated with a keyboard. (Photo provided courtesy of The Wadsworth Center, New York State Department of Health.)

Hace tres años, la odisea de Scott Mackler con la enfermedad de Lou Gehrig (esclerosis lateral amiotrófica, o ELA) pudo haber terminado de manera muy distinta. El estaba preso en un cuerpo que ya no le respondía. Un ventilador controlaba su respiración. Se comunicaba utilizando un aparato seguidor de ojos (eyetracker), y cuando las señales entre sus nervios y sus músculos paraban, la herramienta se volvía poco fiable. Mackler necesitaba un nuevo enfoque para mantener su calidad de vida y mantenerse conectado a su familia, amigos, y colegas.

Ansioso por continuar su trabajo como neurocientífico en la Universidad de Pensilvania, Mackler fue puesto en contacto con investigadores del Centro Wadsworth, del Departamento de Salud del Estado de Nueva York en Albany. Con 20 años de experiencia desarrollando sistemas de interfaz cerebro-computadora (BCI, por sus siglas en inglés) para ayudar a personas discapacitadas a comunicarse, el equipo de Wadsworth consideró que tenían un aparato para ayudar a Mackler.

El equipo de Wadsworth, dirigido por el Dr. Jonathan R. Wolpaw, jefe del Laboratorio de Lesiones y Reparaciones Neuronales del Centro Wadsworth, del Departamento de Salud del Estado de Nueva York, y pionero en investigación BCI, proporcionó a Mackler una computadora que podía descifrar sus señales cerebrales y le permitía seleccionar íconos en una pantalla. Utilizó un gorro especialmente diseñado y cubierto con electrodos que captaba sus ondas cerebrales de manera semejante a un electroencefalograma (EEG) convencional. Mientras Mackler se concentraba en una carta en el monitor de la computadora, su cerebro generaba señales que la computadora analizaba y traducía a órdenes mecánicas útiles. Después de unas cuantas sesiones de entrenamiento, Mackler fue capaz de escribir correos electrónicos, pedir comida, y comunicar sus necesidades y deseos.

La adecuación de Mackler con el sistema BCI has sido tan exitosa que ha podido continuar su investigación en la bioquímica de la adicción a las drogas y recientemente obtuvo la renovación de su beca por el Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas.

 

De Ondas Cerebrales a Acciones

El sistema que utiliza Mackler está basado en el software BCI2000 (http://www.bci2000.org), un sistema de software de uso general para investigación BCI desarrollado principalmente por Gerwin Schalk, científico investigador del Centro Wadsworth e investigador co-principal en el proyecto BCI. El software es usado actualmente en más de 350 laboratorios en el mundo.

Los comentarios de Mackler y otros tres usuarios han ayudado a los investigadores de Wadsworth a mejorar el sistema durante los últimos tres años. “Scott y gente como él nos han dado una oportunidad única en la vida de obtener información valiosa”, dice Theresa Vaughan, directora clínica del Centro de Investigación Neurológica Traslacional, un programa conjunto del Centro Wadsworth y el Hospital Helen Hayes. “Las preguntas que ahora planteamos son resultado de la información que él nos ha dado”.

Debido a que el sistema BCI depende de ondas cerebrales más que de músculos para producir acciones, los desarrolladores del sistema están entrando a una nueva era de entender cómo opera el cerebro. “Es como activar el sistema nervioso en su cabeza y pedirle al cerebro que haga el trabajo que normalmente hacen los músculos”, dice Wolpaw. “El cerebro puede hacerlo, pero sólo de manera imperfecta todavía”.

Uno de los principales retos es desarrollar un software que sea lo suficientemente flexible para adaptarse a las señales individuales del cerebro. “No podemos observar el cerebro y deducir mágicamente cuales son los símbolos del lenguaje propio del individuo”, dice Schalk. “Lo que podemos hacer es medir las señales que tienen cierta relevancia fisiológica con la comunicación o el movimiento”. Una vez identificadas, las señales cerebrales del usuario del BCI podrían convertirse en las partes fundamentales de un nuevo lenguaje para el usuario. “Debemos enseñarle al cerebro a producir diferentes señales en cierto orden para producir un resultado deseado”, comenta él.

Mientras el usuario cambia de un día a otro o de una hora a otra, el sistema debe continuar adaptándose para mantener un funcionamiento efectivo. “Debemos atender estos cambios de manera individual con cada persona”, explica Wolpaw. El resultado es una herramienta de comunicación altamente interactiva diseñada hacia las habilidades de cada usuario.

 

Del Cuero Cabelludo a la Corteza Cerebral

Mientras el sistema BCI actual depende de ondas EEG registradas del cuero cabelludo del usuario, Schalk está explorando el uso de otro tipo de onda cerebral, la actividad electrocorticográfica (ECoG). Se implantan electrodos quirúrgicamente en la superficie de la corteza cerebral del paciente, la capa exterior del cerebro. Estas señales son más claras y más fuertes que las señales EEG, y experimentan menos interferencia del ambiente alrededor. Estas señales vienen también cargadas de información acerca del movimiento. En un estudio reciente con paciente epilépticos, Schalk y sus colegas pudieron descodificar parámetros de movimiento tales como la velocidad de un dedo y el ángulo de una articulación a partir de señales cerebrales relacionadas con movimientos de la mano.

Este trabajo con pacientes epilépticos ha proporcionado también una nueva técnica prequirúrgica que apresura la planeación quirúrgica y simplifica la cirugía. Antes de realizar procedimientos quirúrgicos para reducir convulsiones en pacientes epilépticos, los cirujanos deben primero identificar las áreas afectadas del cerebro así como aquellas que son importantes en funciones primordiales como las habilidades motoras y de lenguaje. Tradicionalmente, los cirujanos han hecho esto utilizando electrodos implantados en la superficie del cerebro para estimular diferentes áreas y observar el impacto en función. Este proceso lleva mucho tiempo y puede ocasionar convulsiones.

La nueva técnica aún emplea electrodos implantados, pero Schalk utiliza software procesador de señales para detectar y traducir las señales cerebrales asociadas con alguna función particular como el habla o el movimiento. El resultado es un mapa identificando las áreas funcionales primordiales en el cerebro. Todo el proceso toma solo unos cuantos minutos para completarse, y no se necesita de ninguna estimulación.

El trabajo de ECoG podría dirigirse hacia un nuevo enfoque BCI en el que un pequeño aparato inalámbrico es implantado en la superficie del cerebro y transmite señales cerebrales a una computadora para análisis y procesamiento. Este aparato podría permitir un control más preciso de equipo para asistencia de movimientos como las sillas de ruedas y las prótesis de extremidades.

 

Del Laboratorio a la Sala

Los estudios clínicos son esenciales para diseminar la tecnología, y el equipo de Wadsworth está involucrado en varios de ellos. Un estudio es parte de una colaboración con el Hospital de Rehabilitación Helen Hayes, en West Haverstraw, Nueva York, para determinar las necesidades de usuarios caseros del sistema BCI. Este ensayo involucra actualmente al Dr. Mackler y a tres otros usuarios. Mientras más usuarios se suman a este estudio, incluyendo sobrevivientes de apoplejía, el equipo evaluará nuevos enfoques BCI y nuevas funciones del sistema. El equipo de Wadsworth está trabajando con el Dr. Aiko Thompson del Hospital Helen Hayes, con apoyo adicional del Centro de Investigación en Lesiones de Médula Espinal del Estado de Nueva York, en un estudio para determinar la función del sistema BCI en la rehabilitación para personas con lesiones de médula espinal. Además, un tercer ensayo multi-sitio está por empezar con la Administración de Veteranos. En este estudio, 25 pacientes con ELA en cinco centros de la Administración de Veteranos usarán en sus casas la tecnología BCI de Wadsworth basada en EEG. El estudio evaluará si el sistema puede permanecer viable con sólo una modesta cantidad de apoyo técnico y si mejora la calidad de vida.

La Fundación de Comunicación Cerebral sin fines de lucro (http://www.braincommunication.org/index.php), en colaboración con personal docente de la Escuela de Negocios Wharton de la Universidad de Pensilvania, fue establecida recientemente para ofrecer tecnología BCI a más personas que pudieran beneficiarse de ella. “Un esfuerzo sin fines de lucro es una nueva forma de pensar acerca de una tecnología huérfana”, dice Wolpaw. “Deseamos que esta sea una manera de apoyar y mantener los sistemas BCI para la gente que más los necesite”. Wolpaw prevé que en una década habrá sistemas altamente confiables y fácilmente disponibles que operarán con tan sólo apoyo técnico rutinario. “La expectativa básica es que podremos llegar a un punto donde los usuarios requieran de muy poca, si acaso, asistencia continua del personal de laboratorio”.

Poniendo en perspectiva los avances tecnológicos, Schalk compara la investigación BCI con la ciencia computacional de los años 30s y 40s. “La tecnología está aún relativamente cruda, por lo cual tenemos aplicaciones limitadas. Una vez que las capacidades mejoren, el potencial para aplicaciones podría explotar. Esta nueva forma de comunicarse podría potencialmente mejorar las capacidades de gente saludable”.

Este trabajo es apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 

Referencias

Schalk G, Miller KJ, Anderson NR, Wilson JA, Smyth MD, Ojemann JG, Moran DW, Wolpaw JR, Leuthardt EC. Two-dimensional movement control using electrocorticographic signals in humans. J. Neural Eng 2008;5:75-84.

Daly JJ, Wolpaw JR. Brain-computer interfaces in neurological rehabilitation. Lancet Neurol 2008;7:1032-43.

Schalk G, Kubanek J, Miller KJ, Anderson NR, Leuthardt EC, Ojemann JG, Limbrick D, Moran D, Gerhardt LA, Wolpaw JR. Decoding two-dimensional movement trajectories using electrocorticographic signals in humans. J. Neural Eng 2007;4:264-75.

Allison BZ, Wolpaw EW, Wolpaw JR. Brain-computer interface systems: progress and prospects. Expert Rev. Med. Devices 2007;4:463-74.