Leer la mente con ultrasonido: una técnica menos invasiva para decodificar las intenciones del cerebro

¿Qué está sucediendo en su cerebro mientras se desplaza hacia abajo en esta página? En otras palabras, ¿qué áreas de su cerebro están activas, qué neuronas están hablando con qué otras y qué señales están enviando a sus músculos?

Mapear la actividad neuronal con los comportamientos correspondientes es un objetivo importante para los neurocientíficos que desarrollan interfaces cerebro-máquina (BMI): dispositivos que leen e interpretan la actividad cerebral y transmiten instrucciones a una computadora o máquina. Aunque pueda parecer ciencia ficción, los IMC existentes pueden, por ejemplo, vincular a una persona paralizada con un brazo robótico; el dispositivo interpreta la actividad neuronal y las intenciones de la persona y mueve el brazo robótico en consecuencia.

Una limitación importante para el desarrollo del IMC es que los dispositivos requieren una cirugía cerebral invasiva para leer la actividad neuronal. Pero ahora, una colaboración en Caltech ha desarrollado un nuevo tipo de IMC mínimamente invasivo para leer la actividad cerebral correspondiente a la planificación del movimiento. Utilizando la tecnología de ultrasonido funcional (fUS), puede mapear con precisión la actividad cerebral de regiones precisas en las profundidades del cerebro con una resolución de 100 micrómetros (el tamaño de una sola neurona es de aproximadamente 10 micrómetros).

La nueva tecnología fUS es un paso importante en la creación de IMC menos invasivos pero altamente capaces.

«Las formas invasivas de interfaces cerebro-máquina ya pueden restaurar el movimiento a aquellos que lo han perdido debido a una lesión o enfermedad neurológica», dice Sumner Norman, becario postdoctoral en el laboratorio de Andersen y co-primer autor del nuevo estudio. “Desafortunadamente, solo unos pocos con la parálisis más severa son elegibles y están dispuestos a que se les implanten electrodos en el cerebro. El ultrasonido funcional es un método nuevo increíblemente emocionante para registrar la actividad cerebral detallada sin dañar el tejido cerebral. Llevamos los límites de la neuroimagen por ultrasonido y nos emocionó que pudiera predecir el movimiento. Lo más emocionante es que la fUS es una técnica joven con un enorme potencial; este es solo nuestro primer paso para llevar un IMC de alto rendimiento y menos invasivo a más personas «.

El nuevo estudio es una colaboración entre los laboratorios de Richard Andersen, profesor James G. Boswell de Neurociencia y Cátedra de Liderazgo y director del Centro de Interfaz Cerebro-Máquina Tianqiao y Chrissy Chen en Tianqiao y el Instituto Chrissy Chen de Neurociencia en Caltech; y Mikhail Shapiro, profesor de ingeniería química e investigador del Heritage Medical Research Institute. Shapiro es un miembro de la facultad afiliado del Instituto Chen.

Aparece en la revista un documento que describe el trabajo Neurona el 22 de marzo.

En general, todas las herramientas para medir la actividad cerebral tienen inconvenientes. Los electrodos implantados (electrofisiología) pueden medir con mucha precisión la actividad a nivel de neuronas individuales, pero, por supuesto, requieren la implantación de esos electrodos en el cerebro. Las técnicas no invasivas, como la resonancia magnética funcional (fMRI), pueden visualizar todo el cerebro, pero requieren maquinaria complicada y costosa. La electroencefalografía (EEG) no requiere cirugía, pero solo puede medir la actividad a baja resolución espacial.

El ultrasonido funciona emitiendo pulsos de sonidos de alta frecuencia y midiendo cómo esas vibraciones sonoras hacen eco en una sustancia, como los diversos tejidos del cuerpo humano. El sonido viaja a diferentes velocidades a través de estos tipos de tejido y se refleja en los límites entre ellos. Esta técnica se usa comúnmente para tomar imágenes de un feto. en el úteroy para otras imágenes de diagnóstico.

La ecografía también puede «sentir» el movimiento interno de los órganos. Por ejemplo, los glóbulos rojos, como una ambulancia que pasa, aumentarán de tono a medida que se acerquen a la fuente de las ondas de ultrasonido y disminuirán a medida que fluyen. La medición de este fenómeno permitió a los investigadores registrar pequeños cambios en el flujo sanguíneo del cerebro hasta 100 micrómetros (en la escala del ancho de un cabello humano).

“A medida que una parte del cerebro se vuelve más activa, aumenta el flujo sanguíneo al área. Una pregunta clave en este trabajo fue: si tenemos una técnica como el ultrasonido funcional que nos brinda imágenes de alta resolución de la dinámica del flujo sanguíneo del cerebro en el espacio y el tiempo, ¿hay suficiente información de esa imagen para decodificar algo útil sobre el comportamiento? «Dice Shapiro.» La respuesta es sí. Esta técnica produjo imágenes detalladas de la dinámica de las señales neuronales en nuestra región objetivo que no se podían ver con otras técnicas no invasivas como la fMRI. Hemos producido un nivel de detalle cercano a la electrofisiología, pero con un procedimiento mucho menos invasivo «.

La colaboración comenzó cuando Shapiro invitó a Mickael Tanter, pionero del ultrasonido funcional y director de Física para la Medicina de París (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), para dar un seminario en Caltech en 2015. Vasileios Christopoulos, un ex laboratorio postdoctoral de Andersen compañero (ahora profesor asistente en UC Riverside), asistió a la charla y propuso una colaboración. Shapiro, Andersen y Tanter luego recibieron una beca de la Iniciativa NIH BRAIN para continuar la investigación. El trabajo en Caltech fue dirigido por Norman, un ex becario postdoctoral en el laboratorio Shapiro David Maresca (ahora profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Delft) y Christopoulos. Junto con Norman, Maresca y Christopoulos son los primeros autores del nuevo estudio.

La tecnología se desarrolló con la ayuda de primates no humanos, a quienes se les enseñó a realizar tareas simples que implicaban mover los ojos o los brazos en ciertas direcciones cuando se les presentaban ciertas pistas. Cuando los primates completaron las tareas, el fUS midió la actividad cerebral en la corteza parietal posterior (CPP), una región del cerebro involucrada en la planificación del movimiento. El laboratorio de Andersen ha estado estudiando la PPC durante décadas y ya ha mapeado la actividad cerebral en la región utilizando electrofisiología. Para validar la precisión del fUS, los investigadores compararon la actividad de imágenes cerebrales del fUS con los datos electrofisiológicos detallados previamente obtenidos.

A continuación, a través del apoyo del Centro de Interfaz Cerebro-Máquina T&C Chen de Caltech, el equipo se propuso ver si los cambios dependientes de la actividad en las imágenes fUS podrían usarse para decodificar las intenciones del primate no humano, incluso antes de que comenzara. Un movimiento. Los datos de las imágenes de ultrasonido y las actividades correspondientes fueron luego procesados ​​por un algoritmo de aprendizaje automático, que aprendió qué patrones de actividad cerebral estaban relacionados con qué tareas. Una vez que se entrenó el algoritmo, se presentaron los datos de ultrasonido recopilados en tiempo real de primates no humanos.

El algoritmo predijo, en segundos, qué comportamiento realizaría el primate no humano (movimiento o alcance de los ojos), la dirección del movimiento (izquierda o derecha) y cuándo planeaba realizar el movimiento.

«El primer hito fue demostrar que el ultrasonido puede capturar señales cerebrales relacionadas con la idea de planificar un movimiento físico», dice Maresca, quien tiene experiencia en imágenes de ultrasonido. “Las imágenes de ultrasonido funcional pueden registrar estas señales con una sensibilidad 10 veces mayor y una mejor resolución que la resonancia magnética funcional. Este descubrimiento es la base del éxito de la interfaz cerebro-máquina basada en ultrasonido funcional «.

“Las interfaces cerebro-máquina actuales de alta resolución utilizan conjuntos de electrodos que requieren cirugía cerebral, que incluye abrir la duramadre, la fuerte membrana fibrosa entre el cráneo y el cerebro, e implantar los electrodos directamente en el cerebro. Pero las señales de ultrasonido pueden atravesar la duramadre y el cerebro de forma no invasiva. Solo es necesario implantar una pequeña ventana transparente a los ultrasonidos en el cráneo; esta cirugía es significativamente menos invasiva que la requerida para la implantación de electrodos ”, dice Andersen.

Aunque esta investigación se llevó a cabo en primates no humanos, se está colaborando con el Dr. Charles Liu, neurocirujano de la USC, para estudiar la tecnología con voluntarios humanos a quienes, debido a una lesión cerebral traumática, se les ha extraído un trozo de cráneo. Dado que las ondas de ultrasonido pueden pasar inalteradas a través de estas «ventanas acústicas», será posible estudiar qué tan bien el ultrasonido funcional puede medir y decodificar la actividad cerebral en estos individuos.

El artículo se titula «Decodificación de prueba única de intenciones de movimiento mediante neuroimagen funcional por ultrasonido». Otros coautores son la estudiante graduada de Caltech Whitney Griggs y Charlie Demene de la Universidad Paris Sciences et Lettres y el Acelerador de Investigación Tecnológica INSERM en Ultrasonido Biomédico en París, Francia. Los fondos fueron proporcionados por una beca postdoctoral Della Martin, una beca del programa de ciencia interdisciplinaria postdoctoral Human Frontiers, el programa de capacitación en ciencias médicas UCLA-Caltech, la iniciativa BRAIN de los institutos nacionales de salud, el centro de interfaz cerebro-máquina Tianqiao y Chrissy Chen, la fundación boswell y heritage medical Instituto de Investigación.