¿Qué nuevos avances podemos esperar del campo de la interfaz cerebro-computadora (BCI)?

Answer 1

Los BCI son obviamente un área de investigación interesante tanto para el sector académico como para la industria privada. Tipos como Mark Zuckerberg (Facebook), Elon Musk (Neuralink) y Bryan Johnson (Kernel) están tratando de tomar desarrollos recientes en laboratorios universitarios y hacer dispositivos comercialmente viables con ellos. Hay algunos problemas tecnológicos críticos que deben resolver antes de que sean realmente exitosos: (i) resolución espacial y colocación de conjuntos de electrodos para el registro, (ii) mitigación de la gliosis, (iii) y potencia.

En primer lugar, debemos dirigir mi salto a la conclusión de que los arreglos intracorticales son la única solución (que es). El hecho es que: los datos del EEG son terribles, por lo tanto, el EEG es terrible para BCI. Hay quienes dicen que más electrodos de EEG y mejor software marcarán la diferencia, pero eso es como decir que un destornillador con un agarre más ergonómico será más efectivo para hundir un clavo. Entonces, ¿cómo vamos a resolver las tres preocupaciones?

Resolución espacial y colocación de electrodos.

Dependiendo del problema que el BCI deba resolver, será necesario monitorear un número variable de neuronas. Si se usa un BCI para resolver múltiples tipos diferentes de problemas, entonces la grabación desde múltiples regiones puede ser necesaria (es decir, la grabación del córtex del motor para la decodificación del motor, la grabación visual cortical para la decodificación de la visión, etc.) Aunque se ha hecho un tremendo progreso en este frente, trayéndonos de Utah Arrays con 100 electrodos, se han desarrollado otros arreglos con hasta 16 mil [1]. Claramente, hay muchas cosas que un BCI puede hacer con esta resolución espacial, pero un BCI nunca puede comprender completamente el cerebro sin tomar muestras de docenas de áreas al nivel de la neurona individual. A pesar de los asombrosos logros en la resolución espacial, todos estos arreglos tienen una geometría uniforme, algo que no es cierto acerca de cualquier estructura neuronal. Para registrar la información correcta, es necesario identificar los loci de información crítica de un sistema neural y diseñar matrices para que se coloquen en cada uno de ellos en una geometría inevitablemente no uniforme y especializada.

Mitigación de la gliosis

Si bien el cerebro no tiene muchos receptores del dolor, ciertamente tiene una fuerte respuesta inmune. Las células gliales tienen una tendencia a participar en la respuesta inflamatoria del cerebro después de una lesión [2]. Lo que finalmente resulta de la implantación quirúrgica de un dispositivo intracortical es una cicatriz glial: las células gliales se envuelven alrededor del dispositivo hasta que está completamente encapsulado [3]. Este es un gran problema porque aísla el electrodo de grabación de la actividad eléctrica en las neuronas. Sin la supresión de la gliosis, la vida útil de una matriz de grabación podría ser tan corta como unas pocas semanas o incluso días. Parte de este comportamiento se evita al hacer que los vástagos de los electrodos se conviertan en materiales biológicamente inertes (por ejemplo, parileno). [4] Todavía no tenemos una solución a prueba de fallas para este problema, pero personalmente conozco grupos que están trabajando en la elución de fármacos. Dispositivos que utilizan microfluidos y microfabricación para liberar medicamentos supresores de la gliosis en el sitio de implantación. Hay mucho desarrollo en este frente, pero un claro ganador aún no ha llegado.

Poder

Los marcapasos, que pueden operar utilizando la mayoría del mismo hardware que los BCI, tienen a menudo cargas de 5 a 15 años [5]. Pero una matriz de grabación siempre despierta con muchos más canales que también deben transmitirse a través de la piel, probablemente consume mucha más energía. O necesitamos más baterías de carga densa, baterías más grandes, reemplazo más frecuente (cirugía), o necesitamos formas eficientes de cargarlas a través de la piel. Resulta que la carga inductiva es la bala mágica que es más probable que llegue a la vanguardia de los dispositivos implantables. [6] [7]

Una otra bolsa de gatos: estimulación

Todas estas preocupaciones tienen que ver con registrar la actividad neuronal, pero ¿qué hay de estimular? La tecnología alrededor de la estimulación, llamada estimulación cerebral profunda, permanece prácticamente sin cambios desde mediados de los años 90. Todavía no entendemos completamente cómo se activa el tejido neural por las corrientes extracelulares. Sabemos que tiene mucho que ver con los axones (por ejemplo, dónde están, qué tan grandes son, cómo están orientados, mielinizados / no mielinizados, etc.), pero ¿cómo tomamos los arreglos de diseño y los estímulos para activarlos selectivamente? Los estimuladores cerebrales profundos, como lo son ahora, son esencialmente boxeadores que solo saben cómo pinchar, no comunican información y, por lo tanto, no pueden desempeñar un papel restaurativo o de mejora. Usar estimuladores para aumentar la cognición es una tremenda terapia potencial y una herramienta que apenas estamos empezando a comprender. Los BCI de dos vías son la tecnología de la versión 2.0 que deberíamos esperar para revolucionar la atención médica, la informática y la calidad de vida humana en los próximos 50 años.

Notas al pie

[1] http: // Huys, R., Braeken, D., Ja …

[2] http: // Pekny, M., & Nilsson, M.…

[3] http: // Polikov, VS, Tresco, P…

[4] http: // Delgado, JM (1952). Educación física…

[5] Resultados – Mayo Clinic

[6] http: // Si, P., Hu, AP, Hsu, J …

[7] http: // Ghovanloo, M., & Atluri,…

Answer 2

Uno de los beneficios de la mejor disponibilidad / asequibilidad de una interfaz EEG serán los beneficios que provienen de tamaños de muestra mucho más grandes y, más allá de eso, la interacción de la comunidad. Pedir lo que podemos esperar ahora de tales dispositivos es como preguntar a los expertos en computación para qué usarían las computadoras personales antes, cuando se lanzó el primer contrachapado de Apple para los aficionados, antes de que IBM lanzara su computadora para el mercado masivo.

Espera lo inesperado … también, date cuenta de que no pasó mucho tiempo antes de que la gente se diera cuenta de que una PC de IBM no los iba a llevar muy lejos.

Answer 3

Si se trata de un uso amplio de BCI por parte de la audiencia, en resumen: ¡más fácil de usar y más eficiente! (en términos de símbolos o bits por segundo). Tal vez signifique ir más allá de las ondas cerebrales recolectadas utilizando el EEG del cuero cabelludo (mediciones de potenciales eléctricos), o combinar varios protocolos de EEG, y combinarlos con otras modalidades (otras formas de medir la actividad cerebral). Para mí, los nuevos avances que podemos esperar están principalmente en este campo de recopilación de datos / señales cerebrales no invasivas. En términos de procesamiento y cálculo de señales, tal vez que los esfuerzos para comprender la información se procesen e integren dentro de los cerebros también podrían proporcionar nuevos medios para tratar un flujo masivo (multicanal, multimodal, etc.) de señales variadas utilizadas por el BCI, sin depender en las técnicas tradicionales de procesamiento de señales y el esquema BCI: extracción de características de señales, filtrado espaciotemporal, clasificación y aprendizaje automático.