Nuevos enfoques para aumentar la interacción hombre-máquina (HMI) han demostrado ser extremadamente útiles para mitigar los efectos de enfermedades y lesiones neurológicas. Antes de profundizar en las complejidades de estas tecnologías, aprendamos cómo funciona HMI en términos simples.
Las tecnologías y los sistemas informáticos asumen tareas importantes en nuestra vida diaria y funcionan de forma visible o entre bastidores. Ahora es bien sabido que una comunicación fluida entre personas y máquinas requiere interfaces: el lugar o la acción mediante la cual un usuario interactúa con la máquina. Utilizando ciertos sensores e interfaces, estas máquinas pueden controlarse mediante el mouse, pantallas táctiles, voz o gestos. En un nivel más avanzado, las gafas de realidad virtual (VR) permiten a los ingenieros recorrer los edificios de fábrica planificados y los chatbots para responder automáticamente a las solicitudes de los clientes.
HMI implica la interacción y comunicación de personas y sistemas automatizados entre sí. Hace tiempo que dejó de limitarse a las máquinas industriales tradicionales y ahora afecta a ordenadores, sistemas o dispositivos digitales, gracias al desarrollo del Internet de las cosas (IoT). En este sistema, cada vez más dispositivos están interconectados y realizan tareas de forma automática.
Cómo es útil HMI en el tratamiento de enfermedades neurológicas
Millones de personas experimentan algún tipo de enfermedad cerebral a lo largo de su vida. La enfermedad de Alzheimer y otros trastornos mentales neurodegenerativos o relacionados con la edad son bastante comunes en la actualidad. Las enfermedades neuromusculares, como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), impiden que las personas se comuniquen. La ELA hace que las personas acaben perdiendo toda capacidad de utilizar los músculos y comunicarse a través del habla, asintiendo con la cabeza o incluso parpadeando o mirando.
Es urgente encontrar mejores formas de prevenir y tratar enfermedades cerebrales y comprender cómo funciona nuestro cerebro es importante para mantener nuestras economías a la vanguardia de las nuevas tecnologías y servicios de información.
Hay muchos dispositivos o sistemas, como las interfaces neuronales, que operan en la intersección del sistema nervioso y un dispositivo interno o externo. Las interfaces como las prótesis neuronales son extensiones artificiales del cuerpo que restauran o complementan la función del sistema nervioso perdida durante una enfermedad o lesión. Estas interfaces se utilizan para permitir que las personas con discapacidades tengan la capacidad de controlar sus propios cuerpos y llevar una vida más plena y satisfactoria.
La llegada del BCI
La interfaz cerebro-computadora (BCI) es una forma avanzada de HMI que implica analizar y traducir señales cerebrales en comandos que se transmiten a dispositivos de salida que realizan las acciones deseadas. Ha demostrado ser una herramienta muy útil para proporcionar alternativas de comunicación y movilidad a pacientes que sufren lesiones del sistema nervioso. Además, la tecnología BCI está evolucionando para proporcionar beneficios terapéuticos al inducir la reorganización cortical a través de la plasticidad neuronal. Para afrontar de forma más eficaz problemas de salud como la ELA, la enfermedad de Parkinson, las lesiones de la médula espinal, los accidentes cerebrovasculares y los trastornos de la conciencia, esta tecnología ha demostrado ser muy eficaz en el tratamiento de los trastornos neurológicos.
BCI se puede definir como una vía de comunicación directa entre un cerebro mejorado o cableado y un dispositivo externo. Dirigido a investigar, mapear, ayudar, aumentar o reparar la función cognitiva o sensoriomotora humana, BCI ha hecho que incluso los sistemas complejos sean más fáciles de usar. Estas máquinas son capaces de adaptarse cada vez más a los hábitos y necesidades humanas y con ello los humanos van ampliando su ámbito de experiencia y campo de acción.
En 1924, Hans Berge fue el primero en registrar la actividad eléctrica del cerebro humano con el desarrollo de la electroencefalografía (EEG). Analizó la interrelación de las alternancias en los diagramas de ondas EEG con las enfermedades cerebrales. En la década de 1970, el profesor Jacques Vidal acuñó el término “BCI” al demostrar el control de dispositivos basados en una sola neurona, permitiendo que las computadoras fueran una extensión protésica del cerebro.
¿Cómo funciona la tecnología BCI ?
La tecnología BCI se utiliza para registrar y analizar señales cerebrales para determinar el resultado deseado por el usuario; por ejemplo, qué letra seleccionar para deletrear una palabra o para indicar en qué dirección mover el cursor, etc. El objetivo principal de los sistemas BCI clínicos es ayudar a los pacientes a comunicarse con su entorno o colaborar en su recuperación. BCI se puede utilizar para reemplazar, restaurar, mejorar, complementar o mejorar la producción natural del Sistema Neural Central (SNC).
Este paso de procesamiento de señal tiene dos fases:
La primera fase se conoce como Extracción de Recursos que es la medición de las características de las señales que codifican la salida. Estas características pueden ser medidas simples, como las amplitudes de potenciales evocados específicos de ritmos específicos, como los ritmos sensoriomotores o las tasas de activación de neuronas corticales individuales, o pueden ser medidas aún más complejas, como las coherencias espectrales. Para proporcionar un rendimiento BCI eficaz, el componente de extracción de características de la etapa de procesamiento de señales debe centrarse en las características que codifican la salida relevante y debe extraer estas características específicas con precisión.
La segunda fase del procesamiento de señales BCI es la traducción de señales de recursos en comandos de dispositivos mediante un algoritmo de traducción. Ciertas características de las señales cerebrales, como las amplitudes del ritmo o las tasas de activación neuronal, se traducen en comandos que especifican resultados, como la selección de letras, el movimiento del cursor o la operación de una prótesis. Los algoritmos de traducción pueden ser simples o complejos, como redes neuronales o máquinas de vectores de soporte.
Beneficios de las tecnologías BCI
Al permitir una forma de interacción entre un ser humano y una máquina a través de mensajes o comandos de voz, las aplicaciones BCI tienen muchos usos posibles, desde un uso clínico simple hasta un uso clínico ilimitado. Estos incluyen sistemas para responder "sí" o "no" a preguntas, gestionar el control básico del entorno del usuario, como luces y temperatura, controlar un televisor o abrir y cerrar un aparato ortopédico manual. Las funciones de estos sistemas incluyen procesamiento de textos básico, envío de correos electrónicos, acceso a Internet u operación de una silla de ruedas motorizada.
Fig. 1: Imagen de una silla de ruedas controlada mentalmente
Las aplicaciones BCI pueden permitir que las personas que están casi totalmente paralizadas tengan una mayor calidad de vida que también puede ser productiva. Según los investigadores, con una atención de apoyo adecuada y habilidades básicas de comunicación, los pacientes con parálisis grave pueden tener lo que consideran una calidad de vida razonable . Hoy en día, las personas con discapacidades graves utilizan los sistemas BCI para fines importantes en su vida diaria. Las tecnologías BCI también pueden admitir aplicaciones más complejas, como operar un brazo robótico o una neuroprótesis que proporciona movimiento multidimensional.
Fig. 2: Imagen del tipo de parálisis BCI con precisión
Las tecnologías BCI pueden resultar beneficiosas para las personas para quienes los métodos convencionales de comunicación asistida no son efectivos, porque las deficiencias motoras graves impedirán el uso del control muscular voluntario del que dependen los métodos convencionales. Los que tienen más probabilidades de beneficiarse incluyen personas que deciden aceptar ventilación artificial para prolongar la vida a medida que avanza la enfermedad, niños y adultos con parálisis cerebral grave que no tienen un control muscular útil, pacientes con accidente cerebrovascular que tienen un control mínimo de sus movimientos oculares y personas con parálisis cerebral grave. distrofias musculares o neuropatías periféricas, y posiblemente personas con trastornos agudos que causen parálisis extensa. La tecnología BCI puede ser útil para pacientes con lesiones de la médula espinal cervical superior, ya que los métodos convencionales de comunicación de asistencia requieren el uso del control muscular voluntario restante.
Una história de éxito
Investigadores del Centro Nacional de Neurotecnologías Adaptativas (NCAN) de Wadsworth han desarrollado un sistema BCI que ayuda a las personas paralizadas a comunicarse. El sistema Wadsworth BCI, creado por el Dr. Jonathan R. Wolpaw, registra la actividad eléctrica del cerebro mediante electrodos conectados a una gorra que lleva el usuario, que puede realizar una variedad de funciones como procesar textos, escribir correos electrónicos, seleccionar íconos de computadora o moverse. un brazo robótico.
Figura 3: Imagen representativa del manejo de brazos de plástico con ayuda para el pensamiento
El BCI de Wadsworth permitió a Scott Mackler, un neurocientífico de la Universidad de Pensilvania con ELA en etapa avanzada, continuar su investigación. Anteriormente, no podía trabajar de forma independiente sin él, pero luego pudo escribir con sus ondas cerebrales con el sistema que le permitía elegir entre una variedad de letras, números y códigos de función. NCAN ha iniciado ahora una investigación sobre la rehabilitación del movimiento después de un accidente cerebrovascular y una lesión de la médula espinal.
Necesidad de equilibrio
Cuanto más compleja sea la contribución de las máquinas, más importante será la comunicación eficiente entre ellas y los usuarios. De ahí surge la pregunta: ¿la tecnología permite que la máquina comprenda el comando exactamente como está previsto? De lo contrario, siempre existe el riesgo de que se produzcan malentendidos y, en muchas ocasiones, el sistema no funcione como debería.
Se puede decir que la tecnología BCI todavía tiene un largo camino por recorrer para presentar un reemplazo adecuado de las tecnologías existentes para la comunicación y el control en pacientes con un mínimo de función motora y cognitiva preservada. La rehabilitación de enfermedades y lesiones neurológicas parece ser el área que proporciona el beneficio más inmediato a un usuario, pero normalmente se lleva a cabo en un entorno clínico operado por personas clínicamente capacitadas.
Por lo tanto, se debe tener en cuenta al usuario al desarrollar interfaces y sensores para dichos dispositivos. Los sistemas y dispositivos deben ser intuitivos y no deben imponer exigencias excesivas al usuario. Manejar una máquina no debería ser demasiado complejo y requerir mucha familiarización. La comunicación ideal entre el hombre y la máquina implica el menor tiempo de respuesta posible entre el comando y la acción. Si no se produce la respuesta, es posible que los usuarios no perciban la interacción como útil, especialmente en el caso de enfermedades y lesiones neurológicas.