TECNOLOGIAS DE INTERFAZ CEREBRO ORDENADOR

Transcripción

1 TECNOLOGIAS DE INTERFAZ CEREBRO ORDENADOR Por Maricruz López Pérez Computación Básica

2 1 CONTENIDO introduccion... 2 La tecnología BCI (Brain-Computer Interface)...3 Caracteristicas e inicio...3 FUNCIONAMIENTO... 4 campo de aplicacion... 1 Procesos Neuronales de Base... 2 Robot Controlado con el Pensamiento... 2 Probado con 19 personas: 100% de éxito...3 Control compartido entre humano y máquina... 4 Bibliografía

3 2 INTRODUCCION El desarrollo de las nuevas tecnologías ha permito un avance significativo en el sector médico o salud, no solo por el hecho de que nos permite realizar más y mejores investigaciones, sino que además ha logrado combatir algunas enfermedades que hasta el momento no han tenido cura, sin embargo con el desarrollo de estas tecnologías se nos ha permitido dar una nueva luz de esperanza a dichas personas, así es, el desarrollo de estas herramientas que se conocen como TOBI o BCI (Brain Computer Interface o Interfaz Cerebro Ordenador) por sus siglas en inglés, son la cura para las personas que poseen alguna discapacidad motora, y las que actualmente han logrado que estos pacientes puedan realizar actividades cotidianas que antes parecían imposibles. Estas nuevas herramientas permitirán el manejo de las maquinas por medio de electrodos que van conectados a una especie de gorro que dirige las señales del cerebro a una computadora que las transforma en órdenes a la máquina. 2

4 3 LA TECNOLOGÍA BCI (BRAIN-COMPUTER INTERFACE) El modo de operar de la interfaz cerebro-computador según Oscar Sambrano es un sistema de hardware y software, porque utiliza un mecanismo que es capaz de percibir los pensamientos al que, ya sea por medio de un gorro EEG (Electro Encefalograma) o por un sistema interfaz cerebro-computador (BCI) que son un soporte de físico para traducir nuestras intenciones en interacción con el mundo real y un programa que recibe esos pensamientos y los transforma en algún tipo de acción, ya sea en un sistema físico o para manejar una computadora u otro sistema virtual. CARACTERISTICAS E INICIO Esta tecnologia tiene una peculiaridad que la diferencia enormemente de otras: el enorme abanico de aplicaciones y posibilidades que uno puede imaginar en breves instantes. Estas varían desde las aplicaciones en rehabilitación orientadas a la recuperación de capacidades motoras, hasta la lúdica y lucrativa industria de los videojuegos. Ahora bien en que consiste esta interfaz, en sentido estricto y según Javier Minguez, es un sistema de ingeniería capaz de traducir nuestras intenciones en interacción real con un mundo físico o virtual. El funcionamiento básico de una BCI es medir la actividad cerebral, procesarla para obtener las características de interés, y una vez obtenidas interaccionar con el entorno de la forma deseada por el usuario. Desde un punto de vista de interacción hombre-máquina, esta interfaz tiene dos características que la hacen única frente a todos los sistemas existentes. La primera de ellas es su potencial para construir un canal de comunicación natural con el hombre, la segunda su potencial acceso a la información cognitiva y emocional del usuario. 3

5 4 FUNCIONAMIENTO Esta interfaz es un sistema que traduce pensamientos en movimiento, primero necesita de un sistema físico que es capaz de leer los pensamientos, que podría ser de forma no invasiva con el sistema EEG que es un gorro que se coloca sobre la corteza cerebral para percibir los pensamientos con un sistema de electrodos situados en lugares específicos del cuero cabelludo que es capaz de leer los pensamientos necesarios para generar resultados de movimiento; el sistema BCI trabaja de forma invasiva porque son un grupo de electrodos implantados directamente en el cerebro, este, por sus requisitos no es el más probado pero tiene una mayor precisión para moverse en un entorno tridimensional, pero han estado trabajando para que el otro sistema sea igual de preciso porque al ser no invasivo es de mayor comodidad para el usuario. Por otra parte, existen diversos sistemas de salida, dependiendo a la necesidad, que puede ir de controlar una compleja maquina a un simple ordenador, y algunos sistemas juntos como podría ser el manejar un ordenador y una silla de ruedas, pero todo eso es dependiendo a la necesidad del usuario; el principal motivo para la creación del sistema dirigido hacia la silla de ruedas fue por las discapacidades motoras de las personas, porque cuando se les realizo un análisis se observó que a pesar de su discapacidad muscular su cerebro trabajaba normalmente, al principio funcionaba con el sistema BCI y luego se fue adaptando para el sistema Electro Encefalograma, después de este avance se comenzó a ampliar los campos y se empezaron a crear maquinas que pudieran trabajar con este sistema, con la dificultad de que la persona ya no estaría controlando el sistema sino que utilizaría una serie de cámaras para poder conocer el entorno donde está el aparato que es controlando, además de esto, con este sistema también se ha comenzado a controlar computadoras, para que las personas con discapacidades puedan moverse tanto en el mundo real como en el virtual. 4

6 FUNCIONAMIENTO DE UNA BCI Esta puede ser una forma simple de describir la función de la interfaz cerebro u ordenador pero existen varias formas en las que se ha probado este hecho, para desarrollar una interfaz más exacta existieron antes, otros medios que a continuación se describen para medir la actividad cerebral, por lo tanto es indispensable, antes que nada, conocer cómo se comunica el cerebro. Las señales cerebrales pueden ser detectadas mediante varias técnicas que se pueden agrupar en dos categorías: en métodos basados en obtención de imágenes, como son la resonancia magnética funcional (fmri), la tomografía por emisión de positrones (PET) y la espectroscopia por infrarrojo cercano funcional (fnir), y en métodos basados en el registro de campos magnéticos, como la magneto encefalografía (MEG) y campos eléctricos que pueden ser registrados en el cuero cabelludo (electroencefalografía, EEG), en la superficie cortical (electro corticografía, ECoG), o dentro del cerebro (potenciales de acción neuronal). La adquisición de la mayoría de estas señales no es conveniente para la aplicación de las interfaces cerebrocomputadora (BCI) debido a sus requerimientos técnicos complejos, el costo y las capacidades de tiempo real limitadas. Solamente el registro de campos eléctricos ha demostrado tener valor práctico para su uso clínico. Pero tanto la ECoG como el registro de potenciales de acción neuronal tienen la desventaja de ser métodos invasivos, por lo que se deben vigilar las reacciones adversas del tejido, garantizar la seguridad del paciente y la estabilidad en registros de largo plazo. A pesar de que los registros de EEG de superficie son susceptibles a contaminación debido a la actividad de electrooculografía o electromiografía de los músculos craneales, es el único método que ha demostrado tener ventajas debido a que no es invasivo, es simple y su costo es accesible. A la fecha existen pocos reportes de estudios de ECoG4, y de personas que han tenido electrodos implantados intracorticalmente. La mayoría de los BCI intracorticales han sido obtenidos de estudios en monos.

7 1 CAMPO DE APLICACION Muchas son las aplicaciones en las que uno puede pensar en relación con esta tecnología, una de las primeras que aparece es el control de videojuegos por medio de la BCI y así por medio del pensamiento (Nijholt, 2008). El salto cualitativo obtenido por el uso de la BCI en estas tecnologías es enorme, por lo que se espera un gran retorno por el volumen de negocio que maneja este mercado. Además, los estudios de mercado señalan que este será el canal por el que primero se introducirá esta tecnología. Esto se debe a que los usuarios de videojuegos son un colectivo muy amplio, son muy tolerantes con cualquier tecnología (se espera que en sus fases más primitivas con una baja robustez y precisión), y además son usuarios que pasan muchas horas utilizándola (lo que los convierte en testeadores de la misma). De hecho, los primeros prototipos comerciales de interfaz cerebro-computador (Emotiv3 y NeuroSky4 ) están persiguiendo de forma muy agresiva este mercado. Recuperar o sustituir funciones humanas motoras ha sido uno de las áreas más fascinantes pero frustrantes de investigación del último siglo. La posibilidad de interconectar el sistema nervioso humano con un sistema robótico o mecatrónica, y usar este concepto para recuperar alguna función motora, ha fascinado a los científicos durante años. El paradigma típico de trabajo es un paciente con una lesión medular grave o una enfermedad neuromuscular crónica que interrumpe el lujo de información neural motora hacia las extremidades del cuerpo. Uno de los aspectos que ha permitido estos desarrollos ha sido el avance en tecnología BCI dado que son sistemas que permiten traducir en tiempo real la actividad eléctrica resultado del pensamiento en órdenes para controlar directamente dispositivos. Esto ofrece un canal de comunicación directa desde el sistema nervioso central con los dispositivos, evitando el uso de los caminos neuronales que ya no pueden ser utilizados normalmente debido a la presencia de enfermedades neuromusculares graves, tales como la esclerosis lateral amiotrófica, infarto cerebral, parálisis cerebral o lesiones en la columna vertebral. Por otro lado, la robótica ha avanzado enormemente en los últimos años en diferentes materias como los sensores, actuadores, capacidad de procesamiento y autonomía. Esto ha proporcionado entidades físicas con diferentes grados de inteligencia embebida en un escenario concreto; preparadas para percibir, manipular, explorar, navegar e interactuar con el entorno. La sinergia de ambos campos ha abierto un amplio abanico de posibilidades en 1

8 2 términos de investigación para la recuperación o sustitución de capacidades humanas en contextos asistenciales y de rehabilitación. 1 Actualmente, se está realizando mucha investigación en lo que se ha denominado los ambientes inteligentes. Estos involucran una inteligencia empotrada en el mismo entorno capaz de interactuar con el usuario de una manera autónoma, con el fin de facilitar la vida a las personas en diferentes campos. Uno de los aspectos clave de esta interacción son las interfaces hombre máquina que incluyen dispositivos vestibles o presentes en el propio entorno, y que miden aspectos que después se reflejan en la adaptabilidad del mismo entorno. Entre ellos se incluyen modificar la iluminación, calefacción, alarmas o subir/bajar persianas, etc. La BCI en este contexto proporciona un canal de comunicación directo con el ambiente para realizar ordenes de control sobre el mismo (Garipelli et al., 2008), y a su vez podría proporcionar información sobre el estado cognitivo y emocional de los usuarios, con lo que el entorno podría tomar decisiones más inteligentes adecuadas a cada persona. Este tipo de dispositivos están muy enfocados hacia la domótica pero también hacia las personas con discapacidad, en donde el uso de este canal de comunicación con la vivienda es más necesario. PROCESOS NEURONALES DE BASE Otro aspecto muy importante en el desarrollo de esta tecnología es el proceso neuronal, que en palabras simples se refiere al tipo de pensamiento de la persona tiene para realizar cierta actividad y que la maquina debe comprender, es más bien, como la maquina traduce todos esos procesos neuronales a códigos que le indiquen que realizar. Los potenciales de acción son considerados la unidad de información básica en el cerebro y son los que permiten la comunicación entre las diferentes neuronas. El número de potenciales de acción en un rango de tiempo (tasa de disparo) puede ser utilizado en un BCI para predecir el comportamiento del sujeto. ROBOT CONTROLADO CON EL PENSAMIENTO La siguiente información es manejada por una revista online, que hace referencia a uno de los avances en la interfaz cerebro-computadora. 1 1 Algunos ejemplos en esta línea incluyen el control de robots (J.d.R. Millán, F. Renkens, J. Mouriño, and W. Gerstner, 2004), control de sillas de ruedas (Vanacker et al., 2007; Ferreira et al., 2007; Rebsamen et al., 2007; Luth et al., 2007; Iturrate et al., 2009), los sistemas de telepresencia robótica (Escolano et al., 2009), y los brazos manipuladores (A. Ferreira, 2006; I.Iturrate et al., 2010b). 2

9 3 Un equipo de investigadores de la Fundación Defitech de Interfaz Cerebro-Máquina (CNBI), encabezada por José del R. Millán, sin embargo, ha estado trabajando en un enfoque revolucionario cerebro-máquina con el fin de restaurar el sentido de independencia en los discapacitados. La idea es controlar de forma remota un robot con el pensamiento. La investigación, que ha contado con la participación de numerosos participantes ubicados en diferentes países, ha producido resultados excelentes, tanto en términos humanos como en técnicos. Las conclusiones se discuten en la edición especial de junio de Actas de la IEEE, dedicada a las interfaces cerebro-máquina. PROBADO CON 19 PERSONAS: 100% DE ÉXITO Nueve personas con discapacidad y diez personas sanas en Italia, Alemania y Suiza participaron en la tarea de pilotar un robot con sus pensamientos. Durante varias semanas, cada uno de los participantes se colocó un sombrero dotado con electrodos, capaz de analizar sus señales cerebrales. En las pruebas, por medio de instrucciones enviadas a través de Internet desde sus países respectivos, instruyeron al robot a que se moviera. En virtud de su cámara de vídeo, pantalla y ruedas, el robot, que se encuentra en un laboratorio de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza), fue capaz de filmar mientras se movía al tiempo que mostraba la cara del piloto remoto a través de Skype. La persona al mando, como que si se movía en lugar del robot, fue capaz de interactuar por medio del robot con otras personas. Cada uno de los 9 participantes con discapacidad logró controlar a distancia el robot con facilidad, después de menos de 10 días de entrenamiento, dijo el profesor Millán. 3

10 4 1- Procesos Neuronales 2- Transferencia de Datos 3-Datos procesados y Dirigidos al equipo o maquina Ciclo de BCI CONTROL COMPARTIDO ENTRE HUMANO Y MÁQUINA La interfaz cerebro-máquina desarrollada por los investigadores va más allá. El robot es capaz de evitar los obstáculos por sí mismo, incluso cuando no se le indica. Para evitar cansarse demasiado, el piloto también puede tomar un descanso. Si no recibe más indicaciones, el robot seguirá en el camino indicado hasta que reciba la orden de detenerse. De esta manera, el control sobre el robot se comparte entre el humano y el ordenador, lo que permite que el piloto descanse mientras navega. 4

11 5 CONCLUSION Que son las tecnologías, que no sea una mejora de calidad de vida, los avances han sido tan significativos que cada día se espera más y más de la tecnología, pero esta ha dado giros inesperados al ya no centrarse solo en el entretenimiento de la sociedad, si no al estar destinado a la salud, así es, la necesidad del ser humano por hacerse inmune a todo tipo de enfermedad es tan grande que ha logrado el desarrollo de tecnologías que solo se podían apreciar en la ficción, por ello es importante reconocer todo el esfuerzo que médicos, ingenieros y estudiante que han logrado esta interfaz entre hombre y máquina, y han logrado dar esperanza a quienes ya la habían perdido. Es importante mencionar que estas tecnologías tuviesen inicios en el entretenimiento del hombre y con el paso del tiempo han adquirido mayor importancia en el campo de la medicina, sin embargo el uso y venta de estos aparatos sigue siendo muy nula y a costos bastante elevados y que tristemente no todos tienen alcance. Las tecnologías de interfaz funcionan en cada persona con altos índices de efectividad y que en un futuro serán parte de la vida cotidiana, ya que la velocidad a la que avanzan es sorprendente y se cree que al menos las prótesis robóticas son una realidad y el manejo de robots o androids no tardara menos de 5 años en desarrollarse por completo, es conveniente prepararse para el futuro y darse cuenta de que las maquinas ya son parte de la sociedad y sin ellas la sociedad moderna no podría sobrevivir. 5

12 6 BIBLIOGRAFÍA GUTIERREZ, J., CANTILLO, J., CARIÑO, R., & VIÑAS, E. (05-08 de 2013). Recuperado el 04 de 03 de 2016, de TECNOLOGIA EN SALUD: MINGUEZ, J. (2011). UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA, ESPAÑA. Recuperado el 03 de 03 de 2016, de 6