El cerebro habla. Científicos descifran palabras a partir de señales cerebrales

En un primer paso para permitir que personas paralizadas hablen con el pensamiento, investigadores de la Universidad de Utah tradujeron a palabras señales del cerebro usando dos rejillas de 16 microelectrodos implantados debajo del cráneo y encima del cerebro.

Microelectrodos convencionales con número. Nuevos microelectrodos al final de los cables verde y naranja. Es una representación dado que por su pequeño tamaño no se ven.

"Hemos sido capaces de descifrar palabras habladas utilizando sólo las señales del cerebro con un dispositivo que tiene perspectivas prometedoras para el uso a largo plazo en pacientes con parálisis completa que no pueden hablar", dice Bradley Greger, profesor auxiliar de bioingeniería.

Dado que el método debe mejorar mucho más e implica la colocación de electrodos en el cerebro, se espera que pasaran unos años antes de realizar ensayos clínicos en personas paralizadas que no pueden hablar debido al llamado síndrome "locked-in".

El Journal of Neural Engineering's en su edición de septiembre publica el estudio de Greger que muestra la viabilidad de traducir señales del cerebro en palabras habladas por ordenador.

El equipo de investigación de la Universidad de Utah, implantó redes de pequeños microelectrodos en centros del lenguaje en el cerebro de un voluntario con severos ataques epilépticos. El hombre ya tenía una craneotomía - retirada temporal parcial del cráneo - para que los médicos pudieran colocar electrodos convencionales, más grandes, para localizar el origen de sus ataques y detenerlos quirúrgicamente .

Usando los microelectrodos experimentales, los científicos registraron las señales del cerebro mientras el paciente leía repetidamente cada una de las 10 palabras que podrían ser útiles a una persona paralizada: sí, no, caliente, frío, hambre, sed, hola, adiós, más y menos.

Posteriormente, trataron de averiguar qué señales cerebrales representaba cada una de las 10 palabras. Cuando compararon dos señales cerebrales cualesquiera - como las que se generan cuando el hombre decía las palabras "sí" y "no" - fueron capaces de distinguir las señales para cada palabra entre el 76 por ciento y el 90 por ciento de las veces.

Cuando examinaron todos los patrones de las 10 señales a la vez, sólo fueron capaces de seleccionar la palabra correcta entre el 28 por ciento y el 48 por ciento de las veces - mejor que el azar (lo que habría sido del 10 por ciento), pero no lo suficientemente bueno para un dispositivo que traduzca los pensamientos de una persona paralizada en palabras habladas por un ordenador.

"Esta es una prueba de concepto", dice Greger, "Hemos demostrado que estas señales pueden indicar lo que la persona está diciendo muy por encima del azar. Pero tenemos que ser capaces de detectar más palabras con más precisión antes de que sea algo que a un paciente realmente le pueda resultar útil. "

Las personas que eventualmente podrían beneficiarse de un dispositivo inalámbrico que convierta los pensamientos en palabras habladas por ordenador incluyen a personas con parálisis por derrame cerebral, enfermedad de Lou Gehrig y trauma, dice Greger. Las personas que ahora están "atados" (locked-in) a menudo se comunican con cualquier movimiento que pueden hacer - un parpadeo o moviendo un poco la mano - para escoger difícilmente letras o palabras de una lista.


Microelectrodos no penetrantes leen las señales del habla del cerebro


El estudio utilizó un nuevo tipo de microelectrodos no penetrantes que se asientan en el cerebro sin entrar en él. Estos electrodos se conocen como microECoGs porque son una versión reducida de los electrodos, mucho más grandes, utilizados para electrocorticografía o ECoG, desarrollados hace un siglo y medio.

En los pacientes con graves ataques epilépticos no controlados por la medicación, los cirujanos extirpan parte del cráneo y colocan un tapete de silicona que contiene electrodos ECoG sobre el cerebro durante días o semanas, mientras que el cráneo se mantiene en su lugar, pero no vuelve a unirse. Los electrodos ECoG del tamaño de un botón no penetran en el cerebro, pero detectan la actividad eléctrica anormal y permiten a los cirujanos localizar y extraer la pequeña porción del cerebro que causa los ataques.

El año pasado, Greger y sus colegas publicaron un estudio que muestra que los electrodos microECoG, mucho más pequeños, pueden "leer" señales cerebrales que controlan los movimientos del brazo. Uno de los pacientes epilépticos que participan en este estudio también se ofreció voluntariamente para el nuevo estudio.

Debido a que el microelectrodos no penetran en la masa cerebral, se consideran seguros para colocarlos en el área del lenguaje del cerebro - algo que no se puede hacer con electrodos penetrantes que se han utilizado en dispositivos experimentales para ayudar a las personas paralizadas a controlar el cursor de un ordenador o un brazo artificial.

Otro tipo de electrodos,  los extracraneales de EEG, situados en el cráneo para registrar ondas cerebrales, son demasiado grandes y registran demasiadas señales cerebrales para decodificar las señales del habla de personas con parálisis.

Posicionamiento de los electrodos convencionales en amarillo y nuevos en este estudio en rojo sobre una imagen de MRI

Traducción de señales nerviosas en palabras

En este nuevo estudio, los microelectrodos fueron utilizados para detectar débiles señales eléctricas del cerebro que generan sólo unos pocos miles de neuronas.

Cada una de las dos rejillas con 16 microECoGs situadas a 1 milímetro de distancia, fue colocada sobre una de dos de las áreas del lenguaje del cerebro. En primer lugar, la corteza motora facial, que controla los movimientos de la boca, labios, lengua y la cara - básicamente los músculos implicados en el discurso. En segundo lugar, el área de Wernicke, una parte poco conocida del cerebro humano vinculado a la comprensión del lenguaje.

El estudio se realizó durante sesiones de una hora en cuatro días consecutivos. Los investigadores pidieron al paciente epiléptico que repitiera una de las 10 palabras. Las señales del cerebro se registraron a través de las dos redes de microelectrodos. Cada una de las 10 palabras se repitió 31 a 96 veces, dependiendo de lo cansado que el paciente estuviera. Luego, los investigadores "buscaron patrones de las señales cerebrales que se correspondieran con las diferentes palabras" mediante el análisis de cambios en la fuerza de diferentes frecuencias dentro de cada señal nerviosa, dice Greger.

Los investigadores encontraron que cada palabra hablada producía distintas señales en el cerebro, y por lo tanto el conjunto de electrodos que identificaba la palabra con más precisión varíaba de una palabra a otra. Dicen que apoya la teoría de que microelectrodos poco espaciados pueden capturar señales de una única microcolumna cortical (unidad básica de procesamiento cerebral compuesta de 10.000 neuronas).

Un hallazgo inesperado: cuando el paciente repite las palabras, la corteza motora facial estaba más activa y el área de Wernicke, estaba menos activa. Sin embargo, el área de Wernicke se "iluminó" cuando se agradeció al paciente su colaboración. Esto demuestra que el área de Wernicke tiene una mayor participación en el nivel alto de comprensión del lenguaje, mientras que la corteza motora facial controla los músculos faciales que ayudan a producir los sonidos, dice Greger.

Los investigadores afinaron más - el 85 por ciento - al distinguir las señales del cerebro entre una palabra y otra cuando utilizaron señales grabadas en la corteza motora facial. Eran menos precisos - el 76 por ciento - cuando utilizaron las señales del área de Wernicke. La combinación de datos de ambas áreas no mejoró la precisión, mostrando que las señales cerebrales de la zona de Wernicke no añaden mucho a los de la corteza motora facial.

Cuando los científicos seleccionaron las cinco microelectrodos en cada cuadrícula de 16 electrodos que fueron más precisos en la descodificación de las señales cerebrales de la corteza motora facial, su precisión para distinguir una de dos palabras de la otra se elevó a casi el 90 por ciento.

En la prueba más difícil, distinguir las señales de una palabra de las señales de las otras nueve palabras, los investigadores inicialmente acertaron un 28 por ciento de las veces - no demasiado bien, pero mejor que el 10 por ciento que proporciona el azar. Sin embargo, cuando se centraron en las señales de los cinco electrodos más precisos, se identificó la palabra correcta casi la mitad (48 por ciento) de las vceces.

"Esto no significa que el problema está completamente resuelto y todos podemos ir a casa," dice Greger. "Esto significa que funciona, y ahora tenemos que perfeccionarlo para que las personas con síndrome de locked-in puedan realmente comunicarse."

"El siguiente paso obvio - y esto es lo que estamos haciendo ahora mismo - es hacerlo con rejillas de microelectrodos más grandes" con 121 microelectrodos en una cuadrícula de 11-por-11, dice. "Podemos hacer la red más grande, tener más electrodos y extraer una enorme cantidad de datos del cerebro, lo que probablemente significará más palabras y más precisión."

Fuente:
Lee J. Siegel
Universidad de Utah