Creating Biomedical Technologies to Improve Health

La interfase cerebro-computadora llega a casa

Monday, November 27, 2006

Una computadora portátil y un gorro renovado mejoran el transporte del BCI de Wadsworth y facilitan su uso. Cortesía del proyecto BCI de Wadsworth.

Una computadora portátil y un gorro renovado mejoran el transporte del BCI de Wadsworth y facilitan su uso. Cortesía del proyecto BCI de Wadsworth.

La esclerosis lateral amiotrófica (ALS por sus siglas en inglés, o enfermedad de Lou Gehrig) y otras enfermedades neuromusculares debilitantes dificulta, y en muchos casos impide, la comunicación. En el caso de ALS, las personas pueden retener una función cognitiva normal, pero finalmente pierden la capacidad de usar los músculos y no pueden comunicarse con el habla, ni asintiendo con la cabeza, ni siquiera con el parpadeo o la mirada.

Durante casi 20 años, investigadores del Centro Wadsworth del Departamento de Salud del Estado de Nueva York, en Albany, Nueva York, han estado desarrollando un sistema de interfase cerebro-computadora (BCI por sus siglas en inglés) que ayuda a personas paralizadas a comunicarse. "La comunicación es un problema clave para muchas personas con ALS", dice Gerwin Schalk, Jefe ingeniero de software del proyecto BCI de Wadsworth. "Si se pudieran comunicar, podrían llevar vidas productivas y satisfactorias".

El proyecto BCI de Wadsworth, dirigido por el Dr. Jonathan R. Wolpaw, ha creado un sistema BCI que registra la actividad eléctrica del cerebro usando electrodos pegados a un gorro que el usuario se pone en la cabeza. La computadora analiza estas señales y las traduce en órdenes. El sistema permite al usuario procesar texto, escribir correos electrónicos, seleccionar iconos de computadora, o mover un brazo robótico. Como las señales cerebrales se registran mediante un electroencefalograma (EEG), no se requiere cirugía.

La mente habla

A Scott Mackler, un neurocientífico de la Universidad de Pensilvania subvencionado por NIH que padece ALS en etapa tardía, el BCI de Wadsworth le ha permitido continuar con su investigación. "No podría trabajar independientemente sin él", escribió en un correo electrónico. Mackler, que ha usado el sistema desde Febrero, respondió a las preguntas de este artículo escribiendo las respuestas con ondas cerebrales, unas dos a cuatro palabras por minuto.

Con la función de mecanografía, el sistema permite a Mackler elegir en una matriz de letras, números y códigos como los de un teclado de computadora. Cuando él quiere deletrear una palabra, se concentra en una letra particular mientras las líneas y columnas de letras se iluminan una tras otra. El sistema registra las ondas cerebrales de Mackler y las traduce en la letra elegida. Entonces, la letra aparece en la pantalla de la computadora y el proceso se repite para seleccionar la letra siguiente.

Mackler usa el sistema para enviar correos electrónicos y comunicarse con sus colegas. El sistema también tiene una función de lenguaje que articula frases predefinidas tal como "Tengo hambre". "El sistema es fácil de usar", escribe Mackler quien dominó el sistema desde el primer día que lo obtuvo. Antes de usar el sistema de Wadsworth, Mackler utilizaba un sistema seguidor de ojos pero lo encontró poco fiable a medida que su enfermedad progresaba.

En la función de procesador de texto, el usuario se concentra en una letra particular mientras líneas y columnas de letras se iluminan una tras otra. El sistema registra las ondas cerebrales del usuario y las traduce en la letra elegida que aparecerá en la pantalla de la computadora. Cortesía del proyecto BCI de Wadsworth.

En la función de procesador de texto, el usuario se concentra en una letra particular mientras líneas y columnas de letras se iluminan una tras otra. El sistema registra las ondas cerebrales del usuario y las traduce en la letra elegida que aparecerá en la pantalla de la computadora. Cortesía del proyecto BCI de Wadsworth.

Refinando el sistema

Durante el año pasado, el equipo científico de Wadsworth ha trabajado intensamente para llevar el sistema BCI del laboratorio a casa. En 2005, el grupo fue el ganador del premio a la innovación de Altran, que consiste en un año de servicios de consultoría de las companías Altran. Como resultado, Cambridge Consultants, Inc., Boston, Mass., ayudó al grupo a rediseñar el gorro que contiene los electrodos de EEG para que sea cómodo llevarlo durante períodos largos y también a simplificar el programa de computadora (software) para el usuario.

La versión simplificada del BCI de Wadsworth consiste en una computadora portátil, un amplificador portátil y un gorro permeable con sólo 8 electrodos (el original tenía 64). Ahora, un cuidador puede conectar y monitorizar fácilmente el programa de software que conduce el sistema. Actualmente el costo del sistema es de unos $4,000 pero Wolpaw espera que el costo se reduzca en el futuro.

Mark Manasas, gerente de aparatos quirúrgicos y de intervención en Cambridge Consultants, Inc., indica que el nuevo gorro facilita el colocar bien los electrodos. Repetir la colocación es importante para obtener resultados óptimos ya que se usan ondas cerebrales particulares. Uno de los puntos en la lista de deseos de Scott Mackler es que el gorro use electrodos secos, ya que el cuidador ha de aplicar gel a cada electrodo cada vez que el usuario se pone el gorro. El gel permite a los electrodos hacer buen contacto con el cuero cabelludo. Los electrodos secos se estan desarrollando, pero los modelos disponibles no registran con fidelidad las señales del cerebro que usa el sistema BCI. "Las señales son tan débiles que se pierden en el ruido de fondo", dice Manasas.

Otra mejora en el BCI de Wadsworth es un amplificador más pequeño, actualmente del tamaño de un teléfono inalámbrico. El antiguo era del tamaño de una torre de unidad central de proceso para computadoras. El equipo científicode Wadsworth trabajó con G-Tech, una compañía austriaca de electrónica, para conseguirlo. “El objetivo es reducir el tamaño de todo el sistema de modo que se pueda montar en una silla de ruedas”, dice WolpaMirada al futurow.

El software de Wadsworth permite a los técnicos hacer los ajustes iniciales al sistema en el laboratorio, adaptándolo a las necesidades de cada individuo. Ellos configuran el sistema de casa de modo que el cuidador simplemente ha de conectar la computadora y tocar un icono que muestra dos botones: Chequeo del Sistema (System Check) y Comienzo del Sistema (System Start). Otras modificaciones del software que se están realizando permitirán a los cuidadores reajustar el sistema progresivamente de acuerdo con las necesidades individuales.

Mirada al futuro

Wolpaw estima que un 70-80% de las personas con incapacidades físicas severas podrían usar el sistema actual de BCI de Wadsworth. Posibles usuarios son evaluados en base a su habilidad para aprender el sistema y en la intensidad de sus señales cerebrales. También han de tener una condición física estable con algo de visión y sus cuidadores han de estar dispuestos a dedicar un tiempo a familiarizarse ellos mismos con el sistema. El equipo científico de Wolpaw está ahora trabajando con dos nuevos usuarios que han sido evaluados y cumplen estos criterios.

El equipo científico de Wolpaw espera establecer una organización sin ánimo de lucro y que sea autosuficiente para que distribuya su sistema BCI a aquéllos que lo necesiten. "Queremos asegurarnos de que aquéllos que más necesitan el sistema, pueden acceder a él", dice Wolpaw. La organización sin ánimo de lucro también proporcionaría soporte técnico. "El sistema BCI podría estar disponible para el público en un par de años", dice Wolpaw.

"Ahora mismo hay un grupo de personas que están totalmente encerradas en sus cuerpos y no se pueden comunicar con el mundo exterior", dice Manasas. "En el pasado, muchas de estas personas decían 'Yo no quiero seguir así'. Con este sistema hay un cambio en la percepción que estas personas tienen de sí mismas. Aún forman parte de las cosas".

El proyecto interfase cerebro-computadora ha sido subvencionado por el NIH durante 14 años; NIBIB ha proporcionado la financiación principal los últimos 4 años.

Nueva beca para el equipo BCI2000

Para aumentar aún más la flexibilidad de BCI2000, NIBIB recientemente otorgó a Gerwin Schalk, Jefe ingeniero de software del proyecto BCI de Wadsworth, una beca de $1.4 millones por 4 años. La beca permitirá al equipo científico de Wadsworth hacer que el BCI2000 sea más adaptable a las necesidades de los usuarios y a tecnologías relacionadas e incorporar al sistema un soporte para otros sistemas operativos y de hardware y software. Además la beca les permitirá desarrollar y mantener documentación y apoyo al usuario de modo que un grupo más amplio de personas se puede beneficiar del sistema.

El sistema BCI de Wadsworth se basa en un sistema de software que el laboratorio desarrolló no sólo como plataforma para las varias formas del BCI de Wadsworth, sino también como plataforma que pudiera ser empleada por otros investigadores en BCI. Este sistema se llama BCI2000. Mientras otros sistemas de software para BCI están diseñados para recibir una señal específica y producir un resultado determinado, el BCI2000 está diseñado de modo que puede usar cualquier señal cerebral, cualquier algoritmo de análisis y se puede acoplar a una diversidad de aparatos. Por estas razones, el BCI2000 se está convirtiendo rápidamente en el estándar de la industria. El equipo científico de Wadsworth permite su uso gratis para investigación (ver www.bciresearch.org) y mantiene una página Web constantemente actualizada para los usuarios. Más de 80 laboratorios en todo el mundo han adquirido el sistema BCI2000.

Referencias

Vaughan TM, McFarland DJ, Schalk G, Sarnacki WA, Krusienski DJ, Sellers EW, Wolpaw JR. The Wadsworth BCI Research and Development Program: at home with BCI. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 14:229-33, 2006.

Schalk G, McFarland DJ, Hinterberger T, Birbaumer N, Wolpaw JR. BCI2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE Trans Biomed Eng, 51:1034-1043, 2004.

Wolpaw JR Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM. Brain-computer interfaces for communication and control. Clin Neurophysiol 113:767-791, 2002.

Miembros del proyecto BCI de Wadsworth: (de izquierda a derecha) Scott Hamel, Dean Krusienski, Liz Wolpaw, Dennis McFarland, Dongyan Zhang, Bill Sarnacki, Peter Brunner, Jon Wolpaw, Eric Sellers, Gerv Schalk, Theresa Vaughan, y Jan Kubanek. Cortesía del proyecto BCI de Wadsworth

Miembros del proyecto BCI de Wadsworth: (de izquierda a derecha) Scott Hamel, Dean Krusienski, Liz Wolpaw, Dennis McFarland, Dongyan Zhang, Bill Sarnacki, Peter Brunner, Jon Wolpaw, Eric Sellers, Gerv Schalk, Theresa Vaughan, y Jan Kubanek. Cortesía del proyecto BCI de Wadsworth