domingo, 19 de agosto de 2012

La frontera entre neurociencia y neurotecnología ha sido superada


La ‘neurología cosmética’ no sólo pretende curar cerebros enfermos, sino mejorar los sanos ‘a la carta’

Los científicos ya saben cómo mejorar la memoria con fármacos inteligentes, cambiar de estado de ánimo aplicando una corriente sobre el cráneo y encender y apagar circuitos neuronales con rayos de luz. Hay quienes incluso están a favor de implantar electrodos y sensores directamente encima de la corteza cerebral para tratar dolencias. La ‘neurología cosmética’ no solo pretende curar cerebros enfermos, sino mejorar los sanos ‘a la carta’. Por Pere Estupinyà (SINC).

“Se publica mucha basura sobre estudios cognitivos con resonancia magnética funcional, incluso en Science y Nature… ¡Especialmente en Science y Nature!”, afirmaba la neurocientífica del MIT Nancy Kanwisher en un seminario de neurociencia. Por un lado, Kanwisher se refería a la tendencia de las revistas científicas a publicar resultados impactantes aunque la metodología del trabajo sea débil, pero también quería reconocer que los estudios cognitivos con resonancia magnética funcional (fMRI) están de moda, y más en áreas como el neuromarketing o la neuroeconomía.

La frontera entre neurociencia y neurotecnología ha sido superada
La neurociencia despierta grandes expectativas porque el estudio del cerebro vive un momento apasionante. La plasticidad neuronal es mucho mayor de lo que se imaginaba; tenemos nuevas técnicas que permiten activar y desactivar circuitos neuronales con luz óptica; podemos ‘leer’ la actividad del cerebro, descodificarla y mover un cursor sobre una pantalla de ordenador con el pensamiento.

Y sin embargo, aunque seamos capaces de entrenar nuestra memoria y darle smart drugs, ella nos seguirá engañando constantemente. Según el psicólogo de Harvard Daniel Schacter, “cuando recordamos el pasado siempre mezclamos realidades con imaginación y eventos inconexos, sobre todo en momentos emocionales fuertes”. O, como afirma Matthew Wilson, investigador en memoria y sueño del MIT, “cuanto más creemos que un recuerdo es certero, más falso suele ser”, una conclusión nada intuitiva publicada por primera vez en 1992 y corroborada por varios estudios.

Potenciar artificialmente la memoria y el aprendizaje

Quizá nunca podremos mejorar cualitativamente la memoria, pero sí cuantitativamente. Los neurocientíficos ya utilizan estimulación transcraneal eléctrica o magnética (TMS) en terapias de regeneración neuronal y contra la depresión. Ambas técnicas no invasivas aumentan la memoria de trabajo que recuerda datos por un período corto de tiempo.

Activando externamente áreas del córtex motor, se aprenden más rápido algunas tareas motoras complejas. Estimular áreas del lenguaje aumenta la retención de palabras y actuando sobre el lóbulo parietal se mejora el reconocimiento de objetos. Varios estudios sugieren que la TMS también puede modificar los estados de humor de pacientes sanos y su razonamiento cognitivo.
Incluso existen experimentos en los que la estimulación magnética transcraneal, aplicada para desbaratar la actividad de las neuronas, ha logrado que un grupo de personas cambiaran ciertos juicios morales.

Los neurocientíficos aseguran que todos estos resultados son científicamente significativos, pero reconocen que falta comprobar que lo sean clínicamente. Es decir, que tengan un efecto notorio. Quizás por eso el neuroingeniero Ed Boyden se atreve a afirmar: “yo soy partidario de implantar electrodos y sensores directamente encima de la corteza cerebral. Son mucho más fiables y los pinchazos bajo el cráneo no generan ningún daño; tenemos cerebro de sobra”.
Imagen:Alvaro Tapia Hidalgo. SINC.

Encender y apagar neuronas con luz

Boyden se refiere a que el cráneo genera demasiado ruido a la hora de estimular el cerebro de manera no invasiva. Animado por los éxitos de los implantes cocleares y los electrodos para el tratamiento del párkinson, defiende que ya podemos empezar a manipular el cerebro con garantías de seguridad. Insiste en que debemos ser cuidadosos, responsables, y éticos, pero que “la ciencia ha progresado a base de asumir riesgos”.

“Imagínate al primero que le dijeron que le iban a dar un poco de extracto de hongo porque contenía una sustancia llamada penicilina”, dice Ed Boyden para defender su postura. No es un simple provocador. En realidad es uno de los artífices de la principal revolución de la neurociencia en los últimos cinco años, la optogenética, que es la inserción de genes que permitan encender y apagar circuitos neuronales con luz óptica.

El principio es relativamente sencillo. En los años 70 se descubrieron unos canales en las membranas de bacterias, arqueas y algas, que dejaban pasar iones cargados positivamente cuando recibían luz: los canales de rodopsina.

Bien entrada la primera década del siglo XXI, Ed Boyden y otros investigadores elucubraron que, si lograban incorporar estos canales iónicos a neuronas mediante ingeniería genética, podrían utilizar frecuencias de luz para activar a voluntad la señal eléctrica de las neuronas.

Dicho y hecho. Encontraron un canal de rodopsina que se abría con luz azul y se crearon los primeros cultivos de neuronas que se excitaban al recibirla. Luego se introdujeron esos canales en las neuronas de moscas, gusanos, ratones y ratas, y ya se han insertado en cerebros de primates no humanos. Cuando les llega luz azul a través del cráneo, ciertas partes de su cerebro se activan, dejando ver qué función concreta tienen esos circuitos neuronales.

Otros canales hacían lo contrario, permitir la entrada de iones negativos de cloro bajo luz amarilla. Cuando se incorporaron a neuronas, se consiguió que estas se silenciaran al recibir luz amarilla. Los neurocientíficos tienen en sus manos un sistema para encender y apagar circuitos neuronales in vivo y ver qué ocurre. Es una herramienta poderosísima para la investigación básica, que en los últimos años se ha expandido a enorme velocidad por laboratorios de neurociencia de todo el mundo.

No contento con utilizar los canales como herramienta de investigación, Boyden defiende que la optognética podrá servir para tratar enfermedades como párkinson, depresión y epilepsia. En modelos animales ya se han producido resultados prometedores: el pasado abril un estudio anunciaba que los canales de rodopsina habían devuelto la visión a ratones ciegos. Recientemente se han encontrado canales iónicos más sensibles, maneras más seguras de introducirlos, mayor especificidad neuronal y nuevas formas de hacer llegar los pulsos de luz al cerebro.

La frontera entre neurociencia y neurotecnología ha sido holgadamente superada. El debate entre expectativas y límites éticos será apasionante.

Fuente:
http://www.tendencias21.net/La-frontera-entre-neurociencia-y-neurotecnologia-ha-sido-superada_a7252.html


Dos alumnos de la UPC crean un cerebro electrónico que procesa información


Barcelona. (EFE).- Dos estudiantes de la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) han construido un cerebro electrónico que procesa información compleja y que puede servir de referencia para analizar algunos fenómenos que intervienen en la propagación y en el procesamiento de la información.

El cerebro artificial, obra de Rosendo Garganta y Àlex de San Fulgencio, alumnos del campus de Terrassa (Barcelona), cuenta con dispositivos electrónicos que simulan neuronas, según ha informado en un comunicado la UPC.

A partir de componentes electrónicos estándar (resistencias, condensadores, bobinas y amplificadores operacionales) programados adecuadamente y dispuestos en forma de red, los dos estudiantes han conseguido simular el comportamiento de las neuronas cuando se comunican entre ellas en el cerebro.

Los dos estudiantes de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y Aeronáutica de Terrassa pretenden aplicar a la tecnología los conocimientos que extraigan observando el funcionamiento de esta simulación de cerebro humano. De momento, Rosendo Garganta ha estudiado a través del cerebro electrónico algunos de los fenómenos que se producen en pequeñas estructuras de comunicación neuronal, como puede ser el proceso a través del cual las neuronas sensoriales emiten un mensaje codificado en forma de potenciales de acción.

Este mensaje se propaga a través de una red de neuronas del sistema nervioso hasta llegar a un conjunto de neuronas motoras con la finalidad de activar un músculo y ejecutar un movimiento del organismo.

Con este estudio, este joven investigador ha determinado la arquitectura óptima que deberían tener las redes de neuronas para que sean capaces de hacer frente a daños cerebrales. Precisamente, la arquitectura de la red de neuronas es la que aparece dañada en las personas afectadas por enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson, el Huntington o el Alzheimer.

En teoría, el trabajo sobre las redes locales de células nerviosas se puede extrapolar a cualquier sistema que pueda ser descrito con modelos de redes complejas como es la red de suministro de agua, la red eléctrica o internet, según las mismas fuentes. De esta manera, las conclusiones que se extraigan de la investigación de estos dos estudiantes de la UPC deberían permitir diseñar redes tecnológicas donde la información pueda viajar de manera más segura y rápida y con más calidad.

Por su parte, Alex de San Fulgencio ha utilizado el cerebro electrónico construido por su compañero para experimentar y estudiar el fenómeno de la llamada resonancia fantasma, efecto sonoro que se produce en el oído humano cuando identificamos el tono de un sonido complejo formado por múltiples frecuencias. Este fenómeno se utiliza en algunos sistemas de audio para reproducir frecuencias bajas que no se pueden generar directamente.

Leer más: http://www.lavanguardia.com/ciudadanos/noticias/20091215/53845544956/dos-alumnos-de-la-upc-crean-un-cerebro-electronico-que-procesa-informacion.html#ixzz243UaC4dW
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La Tecnología Ya Copia el Comportamiento Cerebral.


La semana anterior IBM informo del desarrollo de un chip, que trabaja simulando el comportamiento del cerebro humano, este chip aun en experimentación, tendrá entre otras, la capacidad de percepción para ordenar la ejecución de diferentes actividades, basadas en acciones y conocimiento, que hasta ahora solo era almacenado por el cerebro humano y que el mismo mediante estímulos nerviosos en el cuerpo ejecuta como ordenes.

Esta empresa que estudia dedicadamente la inteligencia artificial desde ya hace 2 décadas, interpreta su desarrollo en una simple interrogante, ¿Podemos de alguna manera hacer que la electrónica imite lo que sabemos sobre el cerebro, cómo funciona el cerebro?, y la contestación a esta, es un avance en la medida  del apoyo logístico y estructural de la forma de vida del ser humano, así: Dar sentido a la información en tiempo real que fluye a un ritmo cada vez más vertiginoso sería una tarea hercúlea para los ordenadores actuales, pero sería natural para un sistema inspirado en el cerebro, dijo IBM; imagine semáforos que pueden integrar imágenes, sonidos y olores y marcar intersecciones peligrosas antes de que ocurra un desastre, ese sería el mayor aporte tecnológico de avanzada a punto de ser alcanzado.

Fuente:
http://www.destinosyplanes.com/portal/index.php?option=com_content&view=article&id=693%3Ala-tecnologia-ya-copia-el-comportamiento-cerebral&catid=340%3Atrivia&Itemid=148&lang=es

ROBÓTICA Y PRÓTESIS INTELIGENTES


SISTEMAS PROTÉSICOS

Toda prótesis artificial activa necesita una fuente de energía de donde tomar su fuerza; un sistema de transmisión de esta fuerza; un sistema de mando o acción y un dispositivo prensor. En la elección de las prótesis a utilizar desempeña un papel trascendental el nivel de amputación o el tipo de displasia de que se trate.

Prótesis Mecánicas
Las manos mecánicas son dispositivos que se utilizan con la función de apertura o cierre voluntario por  medio de un arnés el cual se sujeta alrededor de los hombros, parte del pecho y parte del brazo controlado por el usuario. Su funcionamiento se basa en la extensión de una liga por medio del arnés para su apertura o cierre, y el cierre o apertura se efectúa solo con la relajación del músculo respectivamente gracias a un resorte y tener una fuerza de presión ó pellizco. Estos elementos se recubren con un guante para dar una apariencia más estética, sin embargo se limita al agarre de objetos relativamente grandes y redondos ya que el guante estorba al querer sujetar objetos pequeños.

El tamaño de la prótesis y el número de ligas que se requiera dependiendo de la fuerza y el material para su fabricación varían de acuerdo a las necesidades de cada persona. Dado que estas prótesis son accionadas  por el cuerpo, es necesario que el usuario posea al menos un movimiento general de: expansión del  pecho, depresión y elevación del hombro, abducción y aducción escapular y flexión glenohumeral.

Prótesis Eléctricas
Estas prótesis usan motores eléctricos en el dispositivo terminal, muñeca o codo con una batería recargable.
Éstas prótesis se controlan de varias formas, ya sea con un servocontrol, control con botón pulsador o botón con interruptor de arnés. En ciertas ocasiones se combinan éstas formas para su mejor funcionalidad.

Se usa un socket que es un dispositivo intermedio entre la prótesis y el muñón logrando la suspensión de éste por una succión. Es más costosa su adquisición y reparación, existiendo otras desventajas evidentes como son el cuidado a la exposición de un medio húmedo y el peso de la prótesis.

Prótesis neumáticas
Estas prótesis eran accionadas por ácido carbónico comprimido, que proporcionaba una gran cantidad de energía, aunque también presentaba como inconveniente la complicación de sus aparatos accesorios y del riesgo del uso del ácido carbónico.

Prótesis mioeléctricas
Las prótesis mioeléctricas son prótesis eléctricas controladas por medio de un poder externo mioeléctrico, estas prótesis son hoy en día el tipo de miembro artificial con más alto grado de rehabilitación. Sintetizan el mejor aspecto estético, tienen gran fuerza y velocidad de prensión, así como muchas posibilidades de combinación y ampliación.

El control mioeléctrico es probablemente el esquema de control más popular. Se basa en el concepto de que siempre que un músculo en el cuerpo se contrae o se flexiona, se produce una pequeña señal eléctrica (EMG) que es creada por la interacción química en el cuerpo. Esta señal es muy pequeña (5 a 20 µV) Un micro-voltio es una millonésima parte de un voltio. Para poner esto en perspectiva, una bombilla eléctrica típica usa 110 a 120 voltios, de forma que esta señal es un millón de veces más pequeña que la electricidad requerida para alimentar una bombilla eléctrica.

El uso de sensores llamados electrodos que entran en contacto con la superficie de la piel permite registrar
la señal EMG. Una vez registrada, esta señal se amplifica y es procesada después por un controlador que conmuta los motores encendiéndolos y apagándolos en la mano, la muñeca o el codo para producir movimiento y funcionalidad.

Éste tipo de prótesis tiene la ventaja de que sólo requieren que el usuario flexione sus músculos para operarla, a diferencia de las prótesis accionadas por el cuerpo que requieren el movimiento general del cuerpo. Una prótesis controlada en forma mioeléctrica también elimina el arnés de suspensión usando una de las dos siguientes técnicas de suspensión: bloqueo de tejidos blandos-esqueleto o succión1. Tienen como desventaja que usan un sistema de batería que requiere mantenimiento para su recarga, descarga, desecharla y reemplazarla eventualmente. Debido al peso del sistema de batería y de los motores eléctricos, las prótesis accionadas por electricidad tienden a ser más pesadas que otras opciones protésicas. Una prótesis accionada por electricidad proporciona un mayor nivel de tecnología, pero a un mayor costo.

Prótesis Híbridas
Una prótesis híbrida combina la acción del cuerpo con el accionamiento por electricidad en una sola prótesis.

En su gran mayoría, las prótesis híbridas sirven para individuos que tienen amputaciones o deficiencias transhumerales (arriba del codo) Las prótesis híbridas utilizan con frecuencia un codo accionado por el cuerpo y un dispositivo terminal controlado en forma mioeléctrica (gancho o mano).

En la siguiente liga se puede ver una mano transcarpiana de útima generación:
http://www.ottobock.com.mx/td_2_1_3_1.htm

Uso de materiales “inteligentes” en las prótesis

Hoy en día, el término “inteligente” se ha adoptado como un modo válido de calificar y describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma, color, etc.) en presencia de un estímulo concreto.

Para controlar la respuesta de una forma predeterminada presentan mecanismos de control y selección de la respuesta. El tiempo de respuesta es corto. El sistema comienza a regresar a su estado original tan pronto como el estímulo cesa.

Dentro de las aleaciones con memoria de forma (SMA), se encuentran los llamados alambres musculares,
estos son alambres delgados de alta resistencia mecánica, construidos con una aleación de Níquel y Titanio
llamada comercialmente “Nitinol”.

La adecuada selección de los actuadores durante el diseño de una prótesis, es  una parte esencial para el éxito de ésta. Por tal motivo después de un análisis de las especificaciones de diseño requeridas en una prótesis de miembro superior, se observó que los alambres musculares podrían satisfacer las necesidades de los actuadores.

Se realizó un modelo funcional exclusivamente de la mano, dicha mano fue diseñada tomando como base las medidas de la mano derecha de un hombre adulto, mexicano de estatura promedio. El material utilizado para su fabricación fue Nylamid Autolubricado, debido a su baja densidad, alta resistencia y buena aquinabilidad que éste posee. El modelo consta de dieciséis piezas en total: la palma de la mano y cinco dedos. Los dedos Índice, medio, anular y meñique  se componen de tres piezas (falange proximal, medial y distal), las cuales se encuentran unidas a la palma y entre sí por medio de articulaciones rotacionales.

El dedo pulgar consta también de tres eslabones: dos falanges (proximal y distal) y una pieza que realizará la función del primer metacarpiano (hueso de la palma de la mano), esto permitirá realizar la acción oponente de este dedo. Por simplicidad de diseño, se decidió sustituir los demás metacarpianos por una sola pieza: la palma. La mano se encuentra normalmente abierta mediante resortes de compresión. En la figura 10 se muestran los huesos y articulaciones de la mano, en la figura 11 el modelado en CAD para el modelo de pruebas propuesto, y en la figura 12 el modelo funcional en el que se realizaron las pruebas.


Principio de funcionamiento de la mano con alambres musculares

Con el fin de imitar la función de los músculos y tendones que intervienen en el movimiento de flexión de los dedos, se colocaron pequeños tramos de alambres musculares, amarrados a clavos colocados en cada articulación, de manera que al hacer pasar corriente a través de ellos, se realizara la contracción, permitiendo
mover cada segmento, de la misma manera en que se mueven los eslabones en un robot manipulador

Para facilitar el control del modelo, se seleccionaron algunas posiciones predeterminadas de la mano para utilizarlas en el control, dichas posiciones son accionadas mediante una cierta combinación de pulsos que estimulan a los actuadores de los eslabones involucrados. Se utilizó un control tipo “encendido-apagado”, mediante un programa en Visual Basic, el cual presenta planos del modelo en seis diferentes posiciones. El usuario puede accionar los eslabones tanto de manera independiente como conjunta mediante las posiciones preestablecidas, al mismo tiempo que observa la simulación de el o los movimientos en el programa.

También se colocó un tablero con leds que permite visualizar el correcto funcionamiento del programa, mostrando el o los actuadores que son activados.

Pruebas realizadas en el modelo funcional Se realizó la programación de los movimientos deseados para obtener las posiciones mostradas en la figura 13 utilizando un microprocesador PIC que procesaba las instrucciones y enviaba las salidas correspondientes a la unidad de electrónica de potencia para alimentar a los alambres de Nitinol con la corriente eléctrica necesaria.

Dado que no se conocía la cantidad de corriente que requeriría cada alambre, se utilizó una fuente variable.
En el modelo funcional se utilizaron alambres musculares de 375 µm, es decir los de mayor diámetro existentes en el mercado, esto con el fin de obtener el mayor movimiento posible.

Para ver el articulo completo ver la fuente

Fuente:



Cerebro artificial: Células nerviosas robóticas


Mientras que en muchos laboratorios del mundo se trabaja contrarreloj para poner a punto reemplazos biónicos de brazos y piernas, un equipo de científicos suecos han comenzado el desarrollo de una prótesis robótica destinada a reemplazar o potenciar un órgano mucho más complejo: nuestro cerebro. Y, a diferencia de otros proyectos similares, aquí se está trabajando con células nerviosas artificiales que se comunican con sus equivalentes biológicas mediante el uso de neurotransmisores.

Un grupo de investigadores del Instituto Médico de la Karolinska University y de la Linköping University se encuentran trabajando en la construcción de las primeras células nerviosas artificiales. Estas células biónicas imitan el comportamiento de sus equivalentes biológicas al detalle, e incluso pueden comunicarse con ellas mediante el uso de neurotransmisores. El detalle de su trabajo ha sido publicado en la revista Nature Materials con el título “Organic electronics for precise delivery of neurotransmitters to modulate mammalian sensory function”.

La verdad es que se han realizado trabajos similares antes, pero esta es la primera vez que se utilizan neurotransmisores, como la dopamina, como medio de comunicación, en lugar de impulsos eléctricos. Esto representa un gran avance, ya que el uso de señales eléctricas, que no discriminan entre los diferentes tipos de células nerviosas, reduce la fidelidad y la utilidad de los dispositivos que se conectan al cerebro. Si el equipo sueco pudiese fabricar una pieza de “hardware” capaz de conectarse con nuestro sistema nervioso (o incluso reemplazar partes importantes del mismo),  aprovechando los “canales de comunicación” que ha desarrollado la naturaleza a lo largo de millones de años de evolución, la integración entre ambos sistemas sería mucho más sencilla y completa.
El nuevo prototipo utiliza los mismos neurotransmisores que las células cerebrales, y los responsables del desarrollo aseguran que sus “nervios robóticos” aprovechan las vías neurales existentes para comunicarse con el cerebro, sin que aparezcan los típicos efectos secundarios relacionados con la estimulación neuronal mediante señales eléctricas. Se trata de una tecnología que aún se encuentra dando sus primeros pasos, pero tiene el potencial de originar una verdadera revolución en la creación de interfaces entre nuestro cerebro y nuestros dispositivos electrónicos.

Los “nervios robóticos” aprovechan las vías neurales existentes.

Los científicos explican en su artículo cómo sus células nerviosas artificiales pueden utilizarse para controlar las funciones auditivas de los cobayos. “La posibilidad de entregar la dosis exacta de neurotransmisores abre un campo completamente nuevo para la corrección de los sistemas de señalización defectuosos en una serie de patologías neurológicas”, dice Agneta Richter-Dahlfors,  que ha liderado el equipo de trabajo junto a Barbara Canlon.

En el corto plazo, esta tecnología podría ayudar a las personas que tienen desordenes cerebrales relacionados como la esquizofrenia, mediante el uso de implantes que controlen el flujo de neurotransmisores en las zonas del cerebro relacionadas con esos males. Y, en el futuro, cuando esta tecnología permita la fabricación de dispositivos más complejos y pequeños, el uso de estas células nerviosas artificiales nos proporcionará verdaderas “prótesis cerebrales”, que reemplacen -o potencien- las funciones mentales naturales. ¿Qué tal, eh?

Presentación

Bueno gente he creado este blogg para un tema que desde mi perspectiva es muy interesante, en el pienso publicar artículos que he vistos por Internet de como científicos e ingenieros en el mundo están estudiando el cerebro humano y han tratado mediante la electrónica imitar el funcionamiento de este, ademas deseo profundizar en temas de como usar las señales eléctricas del cerebro y mediante estas poder controlar dispositivos electrónicos o el movimientos de prótesis artificiales.

Invito a todas las personas que les llame la atención este tema a seguir el blogg y a intercambiar información. Cualquier enlace o información de interés no olviden de comentarlo muchas gracias xD