El nuevo programa de investigación DARPA está desarrollando una interfaz cerebro-computadora con la cual será posible "controlar enjambres de drones, trabajando a la velocidad del pensamiento". ¿Qué pasa si funciona?
En agosto, tres estudiantes graduados de la Universidad Carnegie Mellon se apiñaron en un pequeño sótano sin ventanas para usar una configuración improvisada ensamblada desde una impresora 3D para impactar una porción del cerebro del ratón.
Este pedazo de cerebro tallado en el
hipocampo era como una fina rodaja de ajo. Descansó sobre una plataforma ubicada más cerca del centro del dispositivo. Un tubo delgado lavó la rodaja con una solución de sal, glucosa y aminoácidos. Por lo tanto, se mantuvo en un estado similar al de la vida: las neuronas dentro de él continuaron activándose, permitiendo a los experimentadores recopilar datos. Una serie de electrodos ubicados debajo emitieron descargas eléctricas, y una sonda de metal, similar a una jeringa, midió la respuesta de las neuronas. Brillantes lámparas LED iluminaban la copa. Todo parecía recogido en su rodilla.
En el monitor al lado del dispositivo, los estímulos y una respuesta eran visibles: unos pocos milisegundos después de los impulsos eléctricos, se activaron las neuronas. Más tarde, los experimentadores colocaron un material similar en conductividad y transparencia a los huesos del cráneo entre una pieza de tejido y electrodos para descubrir si pueden estimular el hipocampo del ratón mediante la imitación del cráneo.
Lo hicieron porque querían reconocer y controlar las señales del cerebro humano sin tener que cortar el cráneo y tocar el delicado tejido cerebral. Su objetivo es desarrollar
interfaces precisas y sensibles de
cerebro-computadora que se puedan quitar y poner como un casco o diadema, sin ninguna cirugía.
El grosor de los huesos del cráneo humano es inferior a un centímetro. Los números exactos varían de persona a persona, así como de un lugar a otro. Desdibujan las formas de onda, ya sea corriente eléctrica, luz o sonido. Las neuronas cerebrales pueden ser tan pequeñas como unas milésimas de milímetro y generar impulsos eléctricos con un voltaje de vigésimas de voltio.
En los experimentos de los estudiantes de posgrado, se suponía que debía recopilar datos básicos que pudieran compararse con los resultados de la aplicación de la nueva tecnología, que Pulkit Grover, el principal consultor científico del equipo, espera desarrollar.
"Hasta ahora es imposible hacer esto, y es una tarea muy difícil", dice Grover. Dirige uno de los seis equipos que participan en el Programa de Neurotecnología no quirúrgica de próxima generación, o N
3 , un proyecto de $ 104 millones lanzado este año por DARPA. El equipo de Grover trabaja con electricidad y ultrasonido; otros equipos usan imanes u ópticas. Y si alguno de ellos tiene éxito, los resultados serán revolucionarios.
La cirugía es costosa, y la intervención quirúrgica para crear un súper soldado también es éticamente difícil. Un dispositivo para leer pensamientos que no requiere intervención quirúrgica abrirá una gran cantidad de posibilidades. Las interfaces de neurocomputadoras (NQI) se utilizaron para devolver a las personas paralizadas el control parcial sobre el cuerpo y permitir a los veteranos de guerra en Irak y Afganistán que han perdido extremidades controlar las artificiales. N
3 es el primer intento serio del ejército de los EE. UU. Para desarrollar NKI para un uso más agresivo. "Trabajar con drones individuales y sus bandadas, a la velocidad del pensamiento, y no a la velocidad de los dispositivos mecánicos, es por eso que estos dispositivos son realmente necesarios", dice Al Emondi, director del programa N
3 .
El Especialista en Computación de la Universidad de California en Los Ángeles, Jacques J. Vidal, utilizó por primera vez el término interfaz cerebro-computadora a principios de la década de 1970; y resultó ser una de esas frases, como "inteligencia artificial", cuya definición evoluciona en paralelo con el desarrollo de las capacidades que describe. La electroencefalografía (EEG), que registra la actividad cerebral usando electrodos colocados en el cráneo, puede considerarse la primera interfaz entre el cerebro y la computadora. Hacia fines de la década de 1990, los investigadores de la Universidad Keyes de la Región de la Reserva Occidental usaron EEG para interpretar las ondas cerebrales de una persona paralizada, lo que le permitió mover el cursor en una computadora usando electrodos conectados a su cráneo.
Desde entonces, se han desarrollado activamente tecnologías para leer señales del cerebro de ambos tipos, tanto invasivas como no invasivas. También se están desarrollando dispositivos que estimulan el cerebro con señales eléctricas para tratar enfermedades como la epilepsia. El mecanismo más poderoso hasta la fecha es la matriz de microelectrodos, conocida como la matriz de Utah. Parece una cama pequeña con uñas del tamaño de media uña en el dedo meñique, capaz de penetrar en una parte determinada del cerebro.
Una vez, en 2010, mientras estaba de vacaciones en Outer Banks, una franja de estrechas islas de barrera arenosa frente a la costa de Carolina del Norte, Ian Burkhart se metió en el océano y se golpeó la cabeza contra un banco de arena. Se dañó la médula espinal y perdió funciones del sexto nervio cervical y debajo. Podía mover los hombros y los codos, pero no con las manos y los pies. La fisioterapia no ayudó mucho. Preguntó a los médicos del Centro Médico Wexner de la Universidad de Ohio si podían hacer algo más. Resultó que Veksner quería realizar un estudio junto con la compañía de investigación sin fines de lucro Battelle para averiguar si la movilidad podría restaurarse en las extremidades del paralítico utilizando el macizo de Utah.
Si el EEG muestra la actividad total de innumerables neuronas, entonces las matrices de Utah pueden registrar impulsos provenientes de un pequeño número de ellas, o incluso de una neurona. En 2014, los médicos implantaron la matriz de Utah en la cabeza de Burkhart. La matriz midió el campo eléctrico en 96 puntos de su corteza motora 30,000 veces por segundo. Burkhart visitó el laboratorio varias veces a la semana durante más de un año, y los investigadores de Battelle entrenaron algoritmos de procesamiento de señales para percibir sus intenciones, mientras pensaba sistemática e intensamente cómo quería mover su mano.
Un cable grueso conectado a una plataforma en el cráneo de Burkhart envió los pulsos medidos por la matriz de Utah a una computadora. La computadora los descifró y transmitió las señales a una manga llena de electrodos y cubriendo su antebrazo derecho. La manga activó sus músculos para llevar a cabo el movimiento deseado: agarrar, levantar una carga, vaciar una botella o sacar una tarjeta de una billetera.
Esto convirtió a Burkhart en una de las primeras personas en recuperar el control muscular a través de un "bypass neural". Ahora Battelle, que también participa en el programa N
3 , está trabajando con él, tratando de descubrir si es posible lograr los mismos resultados sin implantes en el cráneo.
La cuestión no es solo la creación de nuevos dispositivos, sino también el desarrollo de técnicas de procesamiento de señales de mejor calidad, capaces de reconocer señales débiles y amortiguadas percibidas desde la parte externa del cráneo. Por lo tanto, el equipo de Carnegie Mellon está dirigido por Grover, un ingeniero eléctrico, no un neurocientífico.
Poco después de que Grover llegara al Instituto Carnegie Mellon, su amigo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Pittsburgh lo invitó a participar en reuniones clínicas con pacientes con epilepsia. Comenzó a sospechar que se puede extraer mucha más información del EEG de lo que todos pensaban anteriormente y, por lo tanto, las manipulaciones ingeniosas de las señales externas pueden afectar las capas más profundas del cerebro. Unos años más tarde, un equipo dirigido por Edward Boyden del Centro de Ingeniería Neurobiológica del MIT publicó un artículo notable que va mucho más allá de la suposición inicial de Grover.
El grupo de Boyden aplicó dos señales eléctricas de frecuencias altas, pero ligeramente diferentes, a la parte externa del cráneo. Influyeron en el trabajo de las neuronas, pero no en las ubicadas en la superficie del cerebro, sino en las que se ubicaron más profundamente. Como parte de un fenómeno llamado interferencia constructiva, recibieron una señal de una frecuencia más baja, estimulando la activación de las neuronas.
Grover y su equipo ahora están trabajando para expandir los resultados de Boyden, utilizando cientos de electrodos ubicados en la superficie del cráneo para apuntar con precisión pequeñas áreas de las regiones internas del cerebro y controlar la señal, cambiándola de una parte del cerebro a otra sin mover los electrodos. Grover dice que tal idea difícilmente se le habría ocurrido a los neurocientíficos.
Mientras tanto, en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins (APL), otro equipo del Proyecto N
3 utiliza un enfoque completamente diferente: cerca de la luz infrarroja.
Según los conceptos modernos, el tejido nervioso se hincha y contrae cuando las neuronas emiten señales eléctricas. Los científicos también registran estas señales utilizando EEG, la matriz de Utah u otras tecnologías. APL Dave Blodget afirma que la inflamación y la contracción de los tejidos pueden no ser la señal de peor calidad, y quiere crear un sistema óptico que mida estos cambios.
Las tecnologías pasadas no pudieron capturar movimientos físicos tan pequeños. Pero Blodget y el equipo ya han demostrado que pueden registrar la actividad nerviosa del mouse cuando mueve una de las antenas. Diez milisegundos después del movimiento de las antenas, Blodget registró la activación de las neuronas correspondientes utilizando su tecnología óptica. Y en el tejido nervioso expuesto, su equipo registró la actividad de las neuronas en 10 microsegundos, a la misma velocidad que la matriz de Utah u otros métodos eléctricos.
La próxima tarea a resolver será grabar a través de los huesos del cráneo. Parece algo imposible: después de todo, el cráneo es opaco a la luz visible. Sin embargo, la luz cercana al infrarrojo puede atravesar los huesos. El equipo de Blodgett escanea el cráneo con láseres infrarrojos de baja energía y mide la dispersión de la luz de estos láseres. Espera que de esto sea posible extraer información sobre la actividad de las neuronas. Este enfoque tiene menos evidencia que el uso de señales eléctricas, sin embargo, es precisamente en tales riesgos que los programas DARPA están diseñados.
En Battelle, Gaurav Sharma está desarrollando un nuevo tipo de nanopartículas capaces de penetrar la
barrera hematoencefálica . Esta tecnología se llama mínimamente invasiva en DARPA. En las nanopartículas, un núcleo sensible a los campos magnéticos está rodeado por una cubierta de un material que genera electricidad a presión. Si estas nanopartículas se colocan en un campo magnético, entonces el núcleo de la partícula presionará la carcasa, lo que producirá una pequeña corriente. Un campo magnético es mucho más adecuado para brillar a través del cráneo que la luz, dice Sharma. Las diferentes bobinas magnéticas permiten a los científicos apuntar a ciertas partes del cerebro, y este proceso puede revertirse para convertir las corrientes eléctricas en campos magnéticos al leer la señal.
Todavía no se sabe cuál de estos enfoques tendrá éxito, y si. Otros equipos de N
3 usan varias combinaciones de ondas de luz, eléctricas, magnéticas y ultrasónicas para transmitir señales al cerebro y leerlas desde el exterior. Todo esto, sin duda, es muy interesante. Sin embargo, a pesar de todos estos entusiasmos, uno no debe olvidar cuán mala es la situación en el Pentágono y en corporaciones como Facebook (que también desarrolla NCI), con una gran cantidad de problemas éticos, legales y sociales que plantea el NCI no invasivo. ¿Cómo las bandadas de drones controlados por el cerebro humano cambian la naturaleza de las guerras? Emondi, capítulo
3 , dice que los NKI se usarán según sea necesario. Sin embargo, la necesidad militar es un concepto laxo.
En agosto, visité el laboratorio en Battelle, donde Burkhart trabajó durante varias horas con una nueva manga equipada con 150 electrodos que estimulan los músculos del brazo. Él y los investigadores esperaban poder hacer funcionar la manga sin depender de la variedad de señales cerebrales de Utah.
Ian Burkhart e Investigador
Matriz de UtahCon el daño a la médula espinal, es muy difícil pensar en el movimiento del brazo. Burkhart estaba cansado. "Todo funciona en pasos: cuanto más activo creo, más fuerte es el movimiento", me dijo. - Antes, no tenía que pensar "abre mi mano" - Solo tomé y levanté la botella. Pero estoy muy motivado por el resultado, más que todos los demás presentes ". Gracias a él, es fácil ver el potencial de esta tecnología.
Dijo que desde el comienzo del trabajo con el macizo de Utah, se ha vuelto más poderoso y ágil, incluso en los períodos en que no lo está usando. Ya puede vivir casi solo y necesita ayuda solo unas pocas horas al día. “Puedo hablar más con mis manos. "Puedo sostener el teléfono", dice. "Si este proyecto se convierte en algo que se puede usar a diario, lo usaré todo el tiempo que pueda".