Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Capture una Onda (Cerebral)

Thursday, October 21, 2004

Al controlar los movimientos verticales de un cursor que se está moviendo de izquierda a derecha, este paciente es capaz de seleccionar letras de los grupos que están en la parte derecha de la pantalla. Foto cortesía del Dr. Jonathan Wolpaw.

Al controlar los movimientos verticales de un cursor que se está moviendo de izquierda a derecha, este paciente es capaz de seleccionar letras de los grupos que están en la parte derecha de la pantalla. Foto cortesía del Dr. Jonathan Wolpaw.

Aproximadamente 2 millones de personas en los Estados Unidos tienen enfermedades que no les permiten controlar los músculos, tales como parálisis cerebral o esclerosis amiotrófica lateral. Los más afectados pueden perder todo tipo de control muscular, incluso los movimientos oculares y la respiración. Aunque los equipos de mantenimiento de vida pueden mantener a estas personas vivas, a menudo están ?encerradas? en sus cuerpos, sin poder agarrar objetos, operar enseres eléctricos, abrir y cerrar los ojos, ni comunicarse de ninguna manera.

Para ayudar a estos pacientes a comunicarse y controlar su entorno, los científicos están desarrollando programas de computadora que capturan las ondas eléctricas cerebrales del paciente y las convierten en comandos que controlan aplicaciones tales como programas de procesamiento de palabras, una silla eléctrica o un brazo robótico. Con estos programas, los pacientes que una vez estuvieron inmóviles podrían con el tiempo ser capaces de comunicarse y lograr un pequeño grado de independencia, y todo gracias al poder de sus ondas cerebrales.

Conocidos como interfaces cerebro-computadora (brain-computer interfaces, o BCI), estos sistemas dependen de la interacción directa del cerebro del paciente con una computadora personal para convertir las señales del cerebro y controlar las aplicaciones. Varios grupos de investigación están trabajando con los sistemas BCI. Uno de los retos principales que enfrentan es la compatibilidad entre los varios sistemas. Para estandarizar los BCI y permitir que los investigadores puedan comparar fácilmente los diferentes sistemas, el Dr. Jonathan Wolpaw, neurólogo investigador del Wadsworth Center en Albany, Nueva York, trabajó con sus colegas para diseñar un programa de computadoras llamado BCI2000.

"El BCI2000 fue configurado para poder usar diferentes ondas cerebrales, diferentes métodos de procesamiento de ondas, y diferentes aplicaciones, y todas dentro del mismo entorno básico," dice el Dr. Wolpaw. La plataforma flexible elimina la necesidad de crear un nuevo sistema en cada experimento. Esto ahorra tiempo, esfuerzo y el gasto de probar y usar nuevos diseños del BCI. El BCI2000 usa componentes de hardware relativamente baratos y lo pueden usar diestramente hasta los investigadores con menos experiencia en diseño de software.

En el sistema BCI del Dr. Wolpaw, lo primero que se hace es ponerle al paciente un gorro de electrodos que graba las ondas cerebrales del cuero cabelludo. El gorro entonces se conecta con cables a una computadora personal. El programa puede analizar el electroencefalograma (EEG) del paciente, una grabación del voltaje de la cabeza generado por las corrientes eléctricas que emiten las células nerviosas en el cerebro.

Para seleccionar una onda cerebral con el fin de comenzar a aprender cómo usar el sistema, los investigadores le dicen al paciente que imagine una actividad. "Les sugerimos que piensen en mover una mano o pie, pero los pacientes tienen la libertad de tratar diferentes tipos de movimiento y ver qué es lo que les funciona," dice el Dr. Wolpaw. "Una persona imaginó que encestaba bolas de baloncesto, otra imaginó que levantaba pesas". La computadora entonces selecciona la onda cerebral que el paciente controla mejor y la enlaza al movimiento de un cursor en una pantalla de computadora. El paciente gradualmente aprende a controlar la amplitud de esa onda cerebral en particular para controlar el movimiento del cursor.

Aprender a variar la amplitud es un proceso un tanto misterioso que requiere de varias semanas de práctica para perfeccionarlo. "Básicamente es un proceso de prueba y error, muy similar a la manera en que se aprende cualquier otra destreza," dice el Dr. Wolpaw. "Cuando empieza a jugar tenis, usted trata varias maneras de sujetar la raqueta. Si algo funciona, usted lo repite. Si no, no lo hace de nuevo". Con el tiempo, los pacientes se vuelven tan expertos en mover el cursor que ya no necesitan depender tanto en la imaginación. "Se vuelve natural, como mover un brazo," dice él.

En el control unidimensional, los pacientes varían la amplitud de la onda cerebral para mover el cursor hacia arriba o hacia abajo en un monitor de computadora. Aprender a mover el cursor en una dimensión les permite a los pacientes contestar preguntas de sí o no: si mueven el cursor a la parte superior de la pantalla significa "sí" y si lo mueven a la parte inferior es "no". Aprender a variar la amplitud de manera más precisa les permite a los pacientes operar programas simples de procesamiento de palabras. Esto se logra mediante control unidimensional, en el que el paciente controla el movimiento vertical de un cursor a medida que éste se mueve en la pantalla a una velocidad constante. Esta sencilla aplicación permite que el usuario escriba una palabra por minuto.

"Para usted y para mí eso sería lento, pero si esa es la única manera de comunicarse, entonces no lo es", dice el Dr. Wolpaw. Usando el BCI2000, el grupo del Dr. Wolpaw ha extendido el rango del BCI basado en ondas del EEG para controlar un cursor en dos dimensiones. El uso de múltiples dimensiones podría con el tiempo permitir que los pacientes controlen un brazo robótico o una silla de ruedas eléctrica.

En colaboración con el Dr. Wolpaw y el Dr. Gerwin Schalk, quien es otro miembro de su laboratorio, los investigadores de Washington University en San Luis usaron el BCI2000 para extraer ondas cerebrales usando otro tipo de equipo llamado electrocorticografía (ECoG), que graba la actividad eléctrica con rejillas de electrodos implantadas quirúrgicamente en la superficie del cerebro. Las señales del ECoG son más claras y abarcan un rango más amplio de frecuencias que el EEG porque las señales del ECoG no tienen que atravesar el cráneo para llegar a los electrodos. Con este sistema, los pacientes aprendieron a manipular un cursor en menos de media hora, en vez de requerir múltiples sesiones como al usar el EEG. Aunque las señales producidas por el ECoG son superiores a las del EEG, el Dr. Wolpaw y otros investigadores no han perdido interés en los sistemas basados en el EEG, en parte porque el EEG no requiere que los electrodos se implanten quirúrgicamente en la cabeza.

Parte del financiamiento de la investigación del Dr. Wolpaw proviene del NIBIB y del Instituto Nacional para la Salud de los Niños y el Desarrollo Humano. El BCI2000 está disponible gratuitamente para propósitos de investigación en http://www.bci2000.org/BCI2000/Home.html.

Referencias

Schalk G, McFarland DJ, Hinterberger T, Birbaumer N, Wolpaw JR. BCI2000: A general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 51:1034-1043, 2004.

Leuthardt EC, Schalk G, Wolpaw JR, Ojemann JG, Moran DW. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of Neural Engineering 1:63-71, 2004.