James Johnson espera volver a conducir un coche algún día. Si lo hace, lo hará usando solo sus pensamientos.
En marzo de 2017, Johnson se rompió el cuello en un accidente de go-carting, dejándolo casi completamente paralizado debajo de los hombros. Entendió su nueva realidad mejor que la mayoría. Durante décadas, había sido cuidador de personas con parálisis. "Había una profunda depresión", afirma. "Pensé que cuando esto me sucedió no había nada, nada que pudiera hacer".
Pero luego el equipo de rehabilitación de Johnson le presentó a investigadores del cercano Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Pasadena, quienes lo invitaron a unirse a un ensayo clínico de una interfaz cerebro-computadora (BCI). Esto implicaría primero la neurocirugía para implantar dos rejillas de electrodos en su corteza. Éstos registrarían las neuronas en su cerebro a medida que se dispararan, y los investigadores usarían algoritmos para decodificar sus pensamientos e intenciones.
El sistema usaría la actividad cerebral de Johnson para operar aplicaciones informáticas o para mover un dispositivo protésico
El sistema usaría la actividad cerebral de Johnson para operar aplicaciones informáticas o para mover un dispositivo protésico. En total, tomaría años y requeriría cientos de sesiones de entrenamiento intensivas. "Realmente no lo dudé", dice Johnson.
La primera vez que usó su BCI, implantado en noviembre de 2018, Johnson movió un cursor alrededor de la pantalla de una computadora. "Se sentía como The Matrix", comenta. "Nos conectamos a la computadora, y he aquí que pude mover el cursor con solo pensar".
Desde entonces, Johnson ha utilizado el BCI para controlar un brazo robótico, usar el software Photoshop, jugar videojuegos y ahora conducir un automóvil simulado a través de un entorno virtual, cambiando de velocidad, dirigiendo y reaccionando a los peligros. "Siempre me sorprende lo que somos capaces de hacer", manifiesta, "y es increíble".
Johnson es una de las aproximadamente 35 personas a las que se les ha implantado un BCI a largo plazo en su cerebro. Solo alrededor de una docena de laboratorios realizan tales investigaciones, pero ese número está creciendo. Y en los últimos cinco años, la gama de habilidades que estos dispositivos pueden restaurar se ha expandido enormemente.
Solo el año pasado, los científicos describieron a un participante del estudio utilizando un brazo robótico que podría enviar retroalimentación sensorial directamente a su cerebro; un dispositivo protésico del habla para alguien que no puede hablar por un derrame cerebral; y una persona capaz de comunicarse a velocidades récord imaginándose a sí mismo escribiendo.
Hasta ahora, la gran mayoría de los implantes para grabar a largo plazo de neuronas individuales han sido fabricados por una sola compañía: Blackrock Neurotech, un desarrollador de dispositivos médicos con sede en Salt Lake City, Utah. Pero en los últimos siete años, el interés comercial en las BCI ha aumentado. En particular, en 2016, el empresario Elon Musk lanzó Neuralink en San Francisco, California, con el objetivo de conectar humanos y computadoras. La compañía ha recaudado 363 millones de dólares. El año pasado, Blackrock Neurotech y varias otras compañías más nuevas de BCI también atrajeron un importante respaldo financiero.
Sin embargo, llevar un BCI al mercado implicará transformar una tecnología a medida, probada en solo un pequeño número de personas, en un producto que pueda fabricarse, implantarse y usarse a escala. Los ensayos grandes deberán demostrar que las BCI pueden funcionar en entornos que no son de investigación y mejorar de manera demostrable la vida cotidiana de los usuarios, a precios que el mercado puede soportar.
El cronograma para lograr todo esto es incierto, pero el campo es alcista. "Durante miles de años, hemos estado buscando alguna manera de curar a las personas que tienen parálisis"
El cronograma para lograr todo esto es incierto, pero el campo es alcista. "Durante miles de años, hemos estado buscando alguna manera de curar a las personas que tienen parálisis", declara Matt Angle, director ejecutivo fundador de Paradromics, una compañía de neurotecnología en Austin, Texas. "Ahora estamos en la cúspide de tener tecnologías que podamos aprovechar para esas cosas".
Evolución de la interfaz
En junio de 2004, los investigadores presionaron una rejilla de electrodos en la corteza motora de un hombre que había quedado paralizado por un apuñalamiento. Fue la primera persona en recibir un implante BCI a largo plazo. Como la mayoría de las personas que lo han recibido desde entonces, su cognición estaba intacta. Podía imaginar moverse, pero había perdido las vías neuronales entre su corteza motora y sus músculos.
Después de décadas de trabajo en muchos laboratorios en monos, los investigadores habían aprendido a decodificar los movimientos de los animales a partir de registros en tiempo real de la actividad en la corteza motora. Ahora esperaban inferir los movimientos imaginarios de una persona a partir de la actividad cerebral en la misma región.
En 2006, un documento histórico describió cómo el hombre había aprendido a mover un cursor alrededor de la pantalla de una computadora, controlar un televisor y usar brazos y manos robóticas con solo pensar
En 2006, un documento histórico describió cómo el hombre había aprendido a mover un cursor alrededor de la pantalla de una computadora, controlar un televisor y usar brazos y manos robóticas con solo pensar. El estudio fue codirigido por Leigh Hochberg, neurocientífico y neurólogo de cuidados críticos de la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island, y del Hospital General de Massachusetts en Boston. Fue el primero de un conjunto multicéntrico de ensayos llamado BrainGate, que continúa hoy en día.
"Fue una demostración muy simple y rudimentaria", señala Hochberg. "Los movimientos eran lentos o imprecisos, o ambos. Pero demostró que podría ser posible grabar desde la corteza de alguien que no podía moverse y permitir que esa persona controlara un dispositivo externo".
Cómo un Interfaz cerebro-computadora permite a personas con parálisis controlar tablets. Vídeo: Nature.
Los usuarios de BCI de hoy en día tienen un control mucho más fino y acceso a una gama más amplia de habilidades. En parte, esto se debe a que los investigadores comenzaron a implantar múltiples BCI en diferentes áreas del cerebro del usuario e idearon nuevas formas de identificar señales útiles. Pero Hochberg dice que el mayor impulso ha venido del aprendizaje automático, que ha mejorado la capacidad de decodificar la actividad neuronal. En lugar de tratar de entender lo que significan los patrones de actividad, el aprendizaje automático simplemente identifica y vincula los patrones con la intención de un usuario.
"Tenemos información neuronal; sabemos lo que esa persona que está generando los datos neuronales está tratando de hacer; y estamos pidiendo a los algoritmos que creen un mapa entre los dos", explica Hochberg. "Eso resulta ser una técnica notablemente poderosa".
Independencia del motor
Cuando se les preguntó qué quieren de la neurotecnología de asistencia, las personas con parálisis con mayor frecuencia responden "independencia". Para las que no pueden mover sus extremidades, esto generalmente significa restaurar el movimiento.
En 2017, Ajiboye y sus colegas describieron a un participante que usó este sistema para realizar movimientos complejos de los brazos, incluido beber una taza de café y alimentarse
Un enfoque es implantar electrodos que estimulen directamente los músculos de las propias extremidades de una persona y que el BCI los controle directamente. "Si puede capturar las señales corticales nativas relacionadas con el control de los movimientos de las manos, esencialmente puede evitar la lesión de la médula espinal para ir directamente del cerebro a la periferia", expone Bolu Ajiboye, neurocientífico de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio.
En 2017, Ajiboye y sus colegas describieron a un participante que usó este sistema para realizar movimientos complejos de los brazos, incluido beber una taza de café y alimentarse. "Cuando comenzó el estudio", relata Ajiboye, "tuvo que pensar mucho en que su brazo se moviera del punto A al punto B. Pero a medida que entrenaba solo podía pensar en mover su brazo y se movía". El participante también recuperó el sentido de propiedad del brazo.
Ajiboye ahora está expandiendo el repertorio de señales de comando que su sistema puede decodificar, como las de la fuerza de agarre. También quiere dar a los usuarios de BCI un sentido del tacto, un objetivo que persiguen varios laboratorios.
En 2015, un equipo dirigido por el neurocientífico Robert Gaunt, de la Universidad de Pittsburgh en Pensilvania, informó que implantó una matriz de electrodos en la región de la mano de la corteza somatosensorial de una persona, donde se procesa la información táctil. Cuando usaron los electrodos para estimular las neuronas, la persona sintió algo similar a ser tocado.
Gaunt luego unió fuerzas con su colega de Pittsburgh Jennifer Collinger, una neurocientífica que avanza en el control de los brazos robóticos por parte de las BCI. Juntos, formaron un brazo robótico con sensores de presión incrustados en las yemas de sus dedos, que alimentaban los electrodos implantados en la corteza somatosensorial para evocar un sentido sintético del tacto.
No era una sensación completamente natural: a veces se sentía como presión o ser empujado, otras veces era más como un zumbido, explica Gaunt. Sin embargo, la retroalimentación táctil hizo que la prótesis se sintiera mucho más natural, y el tiempo que tardó en recoger un objeto se redujo a la mitad.
El neurocientífico Richard Andersen está tratando de decodificar los objetivos más abstractos de los usuarios aprovechando la corteza parietal posterior (PPC), que forma la intención o el plan de moverse
Implantar matrices en regiones cerebrales que tienen diferentes roles puede agregar matices al movimiento de otras maneras. El neurocientífico Richard Andersen, que dirige el ensayo en Caltech en el que Participa Johnson, está tratando de decodificar los objetivos más abstractos de los usuarios aprovechando la corteza parietal posterior (PPC), que forma la intención o el plan de moverse. Es decir, podría codificar el pensamiento: “Quiero una bebida”, mientras que la corteza motora dirige la mano al café, luego lleva el café a la boca.
El grupo de Andersen está explorando cómo esta entrada dual ayuda al rendimiento de BCI, contrastando el uso de las dos regiones corticales solas o juntas. Los resultados no publicados muestran que las intenciones de Johnson se pueden decodificar más rápidamente en el PPC, "consistente con la codificación del objetivo del movimiento", indica Tyson Aflalo, investigador principal del laboratorio de Andersen. La actividad de la corteza motora, por el contrario, dura todo el movimiento, agrega, "haciendo que la trayectoria sea menos nerviosa".
Este nuevo tipo de entrada neuronal está ayudando a Johnson y a otros a expandir lo que pueden hacer. Él usa el simulador de conducción, y otro participante puede tocar un piano virtual usando su BCI.
La capacidad de comunciación
"Uno de los resultados más devastadores relacionados con las lesiones cerebrales es la pérdida de la capacidad de comunicarse", dice Edward Chang, neurocirujano y neurocientífico de la Universidad de California, San Francisco. En los primeros trabajos de BCI, los participantes podían mover un cursor alrededor de la pantalla de una computadora imaginando su mano moviéndose, y luego imaginando agarrarse a las letras de "clic", ofreciendo una forma de lograr la comunicación. Pero más recientemente, Chang y otros han progresado rápidamente al apuntar a movimientos que las personas usan naturalmente para expresarse.
El punto de referencia para la comunicación por control de cursor, aproximadamente 40 caracteres por minuto, fue establecido en 2017 por un equipo dirigido por Krishna Shenoy, un neurocientífico de la Universidad de Stanford en California.
Luego, el año pasado, este grupo informó un enfoque que permitió al participante del estudio Dennis Degray, que puede hablar, pero está paralizado del cuello hacia abajo, duplicar el ritmo.
El colega de Shenoy, Frank Willett, sugirió a Degray que imaginara la escritura a mano mientras grababan desde su corteza motora. El sistema a veces tenía dificultades para analizar las señales relacionadas con las letras que están escritas a mano de manera similar, como r, n y h, pero en general podía distinguirlas fácilmente. Los algoritmos de decodificación tenían una precisión del 95% en la línea de base, pero cuando se autocorrigieron, utilizando modelos de lenguaje estadístico que son similares al texto predictivo en los teléfonos inteligentes, esto saltó al 99%.
"Puedes decodificar movimientos realmente rápidos y muy finos", detalla Shenoy, "y puedes hacerlo a 90 caracteres por minuto".
Degray ha tenido un BCI funcional en su cerebro durante casi seis años, y es un veterano de 18 estudios del grupo de Shenoy. Dice que es notable lo fácil que se vuelven las tareas. Él compara el proceso con aprender a nadar, diciendo: "Al principio golpeas mucho, pero de repente, todo se vuelve comprensible".
El enfoque de Chang para restaurar la comunicación se centra en hablar en lugar de escribir, aunque utilizando un principio similar. Así como la escritura está formada por letras distintas, el habla está formada por unidades discretas llamadas fonemas o sonidos individuales. Hay alrededor de 50 fonemas en inglés, y cada uno es creado por un movimiento estereotipado del tracto vocal, la lengua y los labios.
El grupo de Chang primero trabajó en la caracterización de la parte del cerebro que genera fonemas y, por lo tanto, el habla, una región mal definida llamada corteza laríngea dorsal. Luego, los investigadores aplicaron estos conocimientos para crear un sistema de decodificación de voz que mostraba el discurso previsto del usuario como texto en una pantalla. El año pasado, informaron que este dispositivo permitía comunicarse a una persona que no podía hablar por un golpe en el tronco encefálico, utilizando un vocabulario preseleccionado de 50 palabras y a una velocidad de 15 palabras por minuto. "Lo más importante que hemos aprendido", menciona Chang, "es que ya no es un teórico; es realmente posible decodificar palabras completas".
Utilizó electrodos colocados en la superficie cortical que detectan la actividad promediada de las poblaciones neuronales
A diferencia de otros avances de alto perfil de BCI, Chang no grabó desde neuronas individuales. En su lugar, utilizó electrodos colocados en la superficie cortical que detectan la actividad promediada de las poblaciones neuronales. Las señales no son tan finas como las de los electrodos implantados en la corteza, pero el enfoque es menos invasivo.
La pérdida más profunda de la comunicación ocurre en personas en los estados que permanecen conscientes, pero no pueden hablar o moverse. En marzo, un equipo que incluía al neurocientífico Ujwal Chaudhary y otros en la Universidad de Tübingen, Alemania, informó que habían reiniciado la comunicación con un hombre que tiene esclerosis lateral amiotrófica (ELA o enfermedad de la neurona motora). El hombre había confiado previamente en los movimientos oculares para comunicarse, pero gradualmente perdió la capacidad de mover los ojos.
El equipo de investigadores obtuvo el consentimiento de la familia del hombre para implantar un BCI e intentó pedirle que imaginara movimientos para usar su actividad cerebral para elegir letras en una pantalla. Cuando esto falló, intentaron reproducir un sonido que imitaba la actividad cerebral del hombre y le enseñaron a modular su actividad neuronal.
El método difiere del de un artículo10 publicado en 2017, en el que Chaudhary y otros utilizaron una técnica no invasiva para leer la actividad cerebral. Se plantearon preguntas sobre el trabajo y el documento se retractó, pero Chaudhary lo respalda.
Estos estudios de caso sugieren que el campo está madurando rápidamente, concreta Amy Orsborn, quien investiga las BCI en primates no humanos en la Universidad de Washington en Seattle. "Ha habido un aumento notable tanto en el número de estudios clínicos como en los saltos que están haciendo en el espacio clínico", desvela. "Lo que viene con eso es el interés industrial".
Del laboratorio al mercado
Aunque tales logros han atraído una ráfaga de atención de los medios de comunicación y los inversores, el campo sigue estando muy lejos de mejorar la vida cotidiana de las personas que han perdido la capacidad de moverse o hablar. Actualmente, los participantes del estudio operan las BCI en sesiones breves e intensivas; casi todos deben estar conectados físicamente a un banco de computadoras y supervisados por un equipo de científicos que trabajan constantemente para perfeccionar y recalibrar los decodificadores y el software asociado.
"Lo que quiero", explica Hochberg, hablando como neurólogo de cuidados críticos, "es un dispositivo que esté disponible, que se pueda recetar, que esté listo para usar rápidamente ". Además, tales dispositivos idealmente durarían toda la vida a los usuarios.
Muchos académicos líderes ahora están colaborando con empresas para desarrollar dispositivos comercializables. Chaudhary, por el contrario, ha cofundado una empresa sin fines de lucro, ALS Voice, en Tübingen, para desarrollar neurotecnologías para personas en un estado completamente encerrado.
Los dispositivos existentes de Blackrock Neurotech han sido un pilar de la investigación clínica durante 18 años, y quiere comercializar un sistema BCI dentro de un año, según el presidente Florian Solzbacher. La compañía se acercó un paso más en noviembre pasado, cuando la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), que regula los dispositivos médicos, puso los productos de la compañía en un proceso de revisión de vía rápida para facilitar su desarrollo comercial.
Este posible primer producto usaría cuatro matrices implantadas y se conectaría a través de cables a un dispositivo miniaturizado, que Solzbacher espera que muestre cómo se puede mejorar la vida de las personas. "No estamos hablando de una mejora del 5, 10 o 30% en la eficacia", aclara. "La gente puede hacer algo que antes no podía".
Blackrock Neurotech también está desarrollando un BCI inalámbrico totalmente implantable, destinado a ser más fácil de usar y eliminar la necesidad de tener un puerto en el cráneo del usuario. Neuralink y Paradromics han tenido como objetivo tener estas características desde el principio en los dispositivos que están desarrollando.
Estas dos compañías también apuntan a aumentar el ancho de banda de la señal, lo que debería mejorar el rendimiento del dispositivo, al aumentar el número de neuronas registradas. La interfaz de Paradromics, que actualmente se está probando en ovejas, tiene 1.600 canales, divididos en 4 módulos.
El sistema de Neuralink utiliza electrodos muy finos y flexibles, llamados hilos, que están diseñados tanto para doblarse con el cerebro como para reducir las reacciones inmunes, dice Shenoy, quien es consultor y asesor de la compañía. El objetivo es hacer que el dispositivo sea más duradero y las grabaciones más estables.
Retos por delante
La mayoría de los investigadores que trabajan en BCI son realistas sobre los desafíos que tienen ante sí. "Si das un paso atrás, es realmente más complicado que cualquier otro dispositivo neurológico jamás construido", apunta Shenoy. "Probablemente habrá algunos años de crecimiento difíciles para madurar aún más la tecnología", añade.
Los dispositivos comerciales tendrán que funcionar sin supervisión experta durante meses o años e igual de bien en todos los usuarios
Orsborn enfatiza que los dispositivos comerciales tendrán que funcionar sin supervisión experta durante meses o años e igual de bien en todos los usuarios. Ella anticipa que los avances en el aprendizaje automático abordarán el primer problema al proporcionar pasos de recalibración para que los usuarios los implementen. Pero, lograr un rendimiento consistente entre los usuarios podría presentar un desafío mayor.
"La variabilidad de persona a persona es aquella en la que no creo que sepamos cuál es el alcance del problema", especifica Orsborn. Ella sospecha que también hay idiosincrasias importantes en la forma exacta en que los diferentes individuos piensan y aprenden, y las formas en que los cerebros de los usuarios se han visto afectados por sus diversas afecciones.
Finalmente, existe un reconocimiento generalizado de que la supervisión ética debe seguir el ritmo de esta tecnología en rápida evolución. Las BCI presentan múltiples preocupaciones, desde la privacidad hasta la autonomía personal. Los especialistas en ética enfatizan que los usuarios deben mantener el control total de las salidas de los dispositivos. Y, aunque las tecnologías actuales no pueden decodificar los pensamientos privados de las personas, los desarrolladores tendrán registros de cada comunicación de los usuarios y datos cruciales sobre su salud cerebral. Además, las BCI presentan un nuevo tipo de riesgo de ciberseguridad.
También existe el riesgo para los participantes de que sus dispositivos no sean compatibles para siempre, o que las empresas que los fabrican quiebren. Ya hay casos en los que los usuarios fueron decepcionados cuando sus dispositivos implantados quedaron sin soporte.
Degray, sin embargo, está ansioso por ver que las BCI lleguen a más personas. Lo que más le gustaría de la tecnología de asistencia es poder rascarse la ceja, dice. "Todo el mundo me mira en la silla y siempre dicen: “Oh, ese pobre tipo, ya no puede jugar al golf”. Eso es malo. Pero el verdadero terror está en medio de la noche cuando una araña camina por tu cara. Eso es lo malo".
Para Johnson, se trata de la conexión humana y la retroalimentación táctil; un abrazo de un ser querido. "Si podemos mapear las neuronas que son responsables de eso y de alguna manera filtrarlo en un dispositivo protésico algún día en el futuro, entonces me sentiré bien satisfecho con mis esfuerzos en estos estudios".
Fuente: Nature.
