Ingeniería e inteligencia artificial para entender la mente

Interfaces cerebro-máquina no invasivas en la rehabilitación de personas con movilidad reducida

José María Azorín, Director del Brain-Machine Interface Systems LAB / Vicente Micol, Vicerrector de Relaciones Internacionales UMH

El director del grupo de investigación Brain-Machine Interface Systems Lab, José María Azorín, explica que en el ámbito clínico su equipo se centra en desarrollar interfaces cerebro-máquina no invasivas para la rehabilitación de personas que padecen movilidad reducida: “Para que un exoesqueleto pueda ayudar a la persona a caminar, debemos conseguir interpretar la información del cerebro, para lo cual aplicamos diferentes técnicas de Inteligencia Artificial (IA)”. En ese proceso de intención de la marcha se generan una serie de patrones en el cerebro y el objetivo es registrar esa actividad, trasladarla a un ordenador que permita su tratamiento y análisis y que envíe la señal de caminar al exoesqueleto para que la estructura facilite el movimiento. El trabajo del grupo se enmarca dentro de uno de los nodos internacionales del Centro BRAIN (Building Reliable Advances and Innovation in Neurotechnology), el centro estadounidense de investigación colaborativa entre industria y universidad en el campo de la neurotecnología financiado por la National Science Foundation (NSF).

La pregunta que se plantean es la siguiente: ¿Qué está pasando por el cerebro de la persona cuando tiene la intención de caminar? Se centran en casos en los que el sujeto padece una limitación motora, ya sea por un accidente o porque ha sufrido, por ejemplo, un ictus, situaciones en las que la señal que se genera en el cerebro no llega correctamente al músculo. Esta línea de trabajo ha contado con financiación europea y se enmarca en la investigación de los procesos cerebrales: registran y clasifican las señales encefalográficas para determinar las relacionadas con el proceso de la marcha mediante algoritmos y clasificadores de patrones. Un algoritmo extrae las principales características de la señal y un clasificador determina si los patrones corresponden o no a la intención de iniciar o detener la marcha. Para ello, se ponen en práctica técnicas de IA relacionadas con el reconocimiento de patrones y con modelos computacionales de redes neuronales.

Esta investigación se mueve en el terreno de las técnicas denominadas machine-learning, que persiguen un entrenamiento del algoritmo, que le permita aprender sobre los patrones cerebrales. “En realidad, se trata de un proceso de aprendizaje mutuo: por parte de la persona, que aprende a modular sus señales cerebrales, pero también del clasificador, que tiene que adaptarse a esos patrones que se van creando”, añade el investigador. En este proyecto colaboran con diferentes centros clínicos, como es el caso del Hospital de Parapléjicos de Toledo, centro de referencia en España de lesionados medulares.

Otra línea de investigación fuera del ámbito de la salud y en la que el equipo también utiliza técnicas de IA es el estudio de la capacidad creativa: intentar determinar cuál es la capacidad artística de una persona de acuerdo a su actividad cerebral. “Se trata de una línea de investigación incipiente en la que pretendemos analizar si hay patrones relacionados entre aquellas personas que demuestran una alta capacidad creativa”, apunta Azorín. Para conseguirlo, desarrollan técnicas que, de nuevo, posibilitan la clasificación de patrones, en esta ocasión relacionados con el comportamiento imaginativo.

“El problema en estos casos es que la creatividad y cómo se genera son conceptos subjetivos”, expone el profesor. La hipótesis de partida del grupo es que es probable la existencia de una relación entre la creatividad y las señales EEG (aquellas que se registran con un encefalograma). En la investigación, llevan a cabo pruebas con personas a las que se les plantean diferentes tareas, como puede ser escuchar música o pintar, para intentar obtener una correlación entre su capacidad de crear y la actividad cerebral. Esta línea de trabajo, en la que el grupo colabora con la Universidad de Houston (EE.UU.), puede contar con multitud de aplicaciones: “Si demostramos que hay un mejor desarrollo del cerebro en aquellas personas que han hecho esas tareas creativas durante su infancia, esto podría servir para mejorar el diseño de los currículos formativos”, apunta el profesor.

Cuando se le consulta al profesor José María Azorín por el futuro en este terreno, apunta hacia el desarrollo de interfaces cerebro-máquinas implantadas de una forma muy poco lesiva para el usuario y en las que se estimularán los nervios de forma interna, sin la necesidad de un exoesqueleto en aquellos casos en los que sea posible. “Ni habrá exoesqueleto ni habrá un casco visible de electrodos”, aventura el investigador. Azorín se refiere a los electroceuticals, dispositivios electrónicos implantables que registrarán la actividad del sistema nervioso y actuarán sobre éste mediante impulsos eléctricos. En la Universidad de Berkeley (EE.UU.) se ha creado una spin off que trabaja en esta línea y que ha conseguido una importante financiación para empezar trabajar. “Esto nos da una idea de por dónde va a ir el futuro en el desarrollo de estas tecnologías”, apunta el profesor.

Centro BRAIN

La inclusión de la UMH en el Centro BRAIN, del que forman parte un gran número de empresas y hospitales de Estados Unidos, tuvo lugar en diciembre de 2018 y fue posible gracias a una colaboración científica previa de los profesores José María Azorín de la UMH y José Luis Contreras Vidal de la Universidad de Houston (EE.UU.). El nodo internacional de este centro en la UMH, dirigido por el profesor Azorín, ha contado en sus primeros pasos con el apoyo institucional del Vicerrectorado de Relaciones Internacionales y del Vicerrectorado de Investigación e Innovación. Según explica el vicerrector de Relaciones Internacionales de la UMH, Vicente Micol, las colaboraciones científicas entre investigadores de distintas universidades son las mejores herramientas para generar relaciones estables, exitosas y duraderas entre instituciones y éste ha sido el caso de la cooperación entre la UMH y la Universidad de Houston. Además, esta cooperación ha permitido establecer un convenio de movilidad e intercambio de estudiantes, profesores e investigadores entre ambas instituciones. La presencia de la UMH en el Centro BRAIN supone el acceso a nuevas oportunidades de financiación de proyectos en el área de la Neurotecnología y potenciará la movilidad internacional de profesores y estudiantes entre los nodos del centro.

Su actividad se desarrollará en distintas subáreas de la Neurotecnología como las relativas a la salud, el deporte, las artes y la industria inteligente o smart factory y, por tanto, tiene un marcado carácter multidisciplinar que permitirá la participación de grupos de investigación de la UMH pertenecientes a las áreas más diversas. También, presenta una oportunidad para estimular actividades de emprendimiento y traslacionales en el área de las Ciencias de la Salud de la UMH, como el centro experimental Cyborg. El nodo BRAIN de la UMH supondrá, un acicate más para reforzar la reciente incorporación de Alicante a la red Ellis y para posicionar debidamente a la provincia en el ámbito internacional de la Neurotecnología.

El Centro BRAIN está dirigido por la Universidad del Estado de Arizona, una de las universidades más prestigiosas en innovación y transferencia de EE.UU. y posicionada entre las 100 mejores del mundo y la Universidad de Houston. Asimismo, cuenta con el apoyo de la organización NSF, la agencia federal creada por el Congreso de EEUU en 1950 para promover la investigación y generar el conocimiento que transforme el futuro. Además de la UMH, sólo forman parte de este centro otros dos nodos internacionales fuera de EEUU: el Imperial College London (Reino Unido) y el Instituto Tecnológico de Monterrey (México). 

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