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23 de octubre de 2018
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Mover objetos con el pensamiento: ilusión y realidad

Mover objetos con el pensamiento: ilusión y realidad

Vicente Torres Zúñiga

Mover objetos con el pensamiento: ilusión y realidad.

Las investigaciones que buscan usar las señales eléctricas de la actividad cerebral para interactuar con el mundo real, o con mundos virtuales, ofrecen esperanzas para las personas que han perdido movilidad. También abren interesantes posibilidades para el entretenimiento.

De niño me encantaban las películas de La guerra de las galaxias, en especial cuando los personajes usaban su poder mental para mover objetos: espadas, naves espaciales, personas. Ése es un súperpoder que me gustaría tener. Hoy, que soy más maduro, sé que los superpoderes no existen, pero la tecnología permite a veces obtener algo muy parecido: ya podemos volar, desplazarnos a grandes velocidades, ver a través de los objetos y comunicarnos con personas ausentes, todo por medio de dispositivos tecnológicos. Así pues, caben dos preguntas: 1) con el estado actual de la tecnología, ¿será posible construir un artefacto que permita mover objetos con la mente? y 2) ¿qué beneficios nos aportaría, más allá del simple entretenimiento?

De qué está hecho el pensamiento

Hasta donde sabemos hoy, nuestras ideas y emociones están formadas por la suma de múltiples impulsos eléctricos producidos por las células principales del cerebro, llamadas neuronas. Cuando muchas neuronas vecinas emiten impulsos eléctricos al mismo tiempo, se retroalimentan y se sincronizan. Esta concertación de la actividad neuronal se manifiesta como una señal ondulatoria de ritmo particular que se puede visualizar por medio de un instrumento electrónico llamado electroencefalógrafo. En su versión menos invasiva (es decir, que no requiere cirugía craneal), las señales se capturan por medio de pequeños discos metálicos planos llamados electrodos que se adhieren al cuero cabelludo. La señal que captan los electrodos se puede graficar y analizar por medio de una computadora. Las gráficas forman patrones de líneas onduladas.

En una orquesta los instrumentos generalmente tocan de manera coordinada. La actividad concertada de las neuronas se parece a la de los músicos. Tanto en el cerebro como en la orquesta, el resultado final está cargado de significado —en la orquesta da como resultado ritmos, melodías y armonías, y en el cerebro ideas, pensamientos y emociones—. Los ritmos de la actividad neuronal constituyen un lenguaje de comunicación propio de las neuronas. A medida que vamos entendiendo su significado, encontramos también aplicaciones clínicas y tecnológicas de este conocimiento que hasta hace poco pertenecían al terreno de la ciencia ficción.

Sangriento origen de una ciencia

El camino que siguen los descubrimientos científicos y los desarrollos tecnológicos es sinuoso y está lleno de desviaciones; pero, etapa tras etapa, se va formando un conocimiento firme. Tal fue el caso de la electroencefalografía, la unión de la neurología y la electricidad.

Desde principios del siglo XIX se sabía que los músculos y nervios podían conducir la electricidad y reaccionar a impulsos eléctricos. En sus famosas demostraciones, el médico italiano Luigi Galvani aplicaba impulsos eléctricos a las patas de una rana muerta (incluso separadas del cuerpo), produciendo grandes contracciones musculares. Tan impactantes eran estos experimentos que despertaron la imaginación de los escritores de la época, en particular la de Mary Shelley, autora de la novela Frankenstein o el moderno Prometeo (1818). En esta novela, el doctor Victor Frankenstein da vida a una criatura hecha con partes de cadáveres por medio de descargas eléctricas.

Mucho tiempo después, en 1870, se exploró por primera vez la relación entre la electricidad y el cerebro humano. Tras la batalla de Sedán, durante la guerra francoprusiana, los médicos militares prusianos se paseaban entre los muertos buscando cuerpos con heridas que dejaran el cerebro al descubierto. Llevaban una batería eléctrica conectada a dos terminaciones metálicas con las que estimulaban las áreas laterales del cerebro. Los médicos observaron que cuando aplicaban descargas eléctricas a un lado del cerebro se movían las extremidades del lado contrario del cuerpo. Este macabro descubrimiento confirmó que el cerebro producía y transmitía señales eléctricas.

En 1913 se obtuvieron señales eléctricas de cerebros descubiertos de perros vivos. El paso siguiente era estudiar las señales eléctricas del cerebro humano.

El lenguaje del cerebro

Estas anécdotas palidecen frente a la historia del descubridor de los ritmos neuronales. El Dr. Hans Berger creía en la telepatía, la idea de que los pensamientos y sensaciones se pueden trasmitir de un cerebro a otro por canales desconocidos. Berger deseaba aplicar los métodos de la ciencia para encontrar los fundamentos físicos de esos supuestos canales de comunicación telepática para tratar de demostrar que este fenómeno existía. En esencia quería encontrar la naturaleza de los pensamientos.

Al principio Berger estudió el flujo de la sangre en el cerebro para usarlo como medida indirecta de una supuesta energía psíquica que sería el fundamento de las ideas y sentimientos. Berger observó así que el cerebro recibe mucha sangre del corazón. En efecto, el cerebro usa el 20% de la sangre de cada latido. Es una gran cantidad de sangre y el cerebro pulsa con sus ires y venires. Los padres de niños recién nacidos pueden comprobar la pulsación si tocan ligeramente la "mollera", la región blanda superior de la cabeza del bebé.

Después de una cirugía craneal, algunos pacientes conservan regiones con fisuras que dejan abierto el paso al cerebro. En estas regiones fue donde Berger hizo sus primeras medidas indirectas de flujo sanguíneo a partir de la presión de la pulsación cerebral. Berger encontró que estas pulsaciones cambian con los estados mentales del paciente; por ejemplo, cuando pasa del placer al temor.

Pero el científico fue más allá de estas observaciones preliminares. En 1924, registró el primer electroencefalograma en un joven de 17 años insertando electrodos entre sus fisuras craneales y haciendo contacto directo con la superficie del cerebro. Berger no tardó en observar que cuando el muchacho cerraba los ojos y se relajaba, su cerebro producía señales eléctricas de mayor amplitud y de un ritmo aproximado de 10 ciclos por segundo (10 herz). Hoy este tipo de oscilación cerebral se conoce como ritmo alfa. En contraste, cuando el muchacho abría los ojos la amplitud de la señal disminuía y el ritmo se aceleraba (entre 13 y 30 herz). A esta oscilación la llamamos ritmo beta. Berger tardó cinco años en reportar sus observaciones y la comunidad científica de la época tomó sus resultados con extremo escepticismo. Además de sus creencias psíquicas, lo desacreditaba su ignorancia total de las bases técnicas y físicas del método que usaba.

Fue hasta 1934 cuando otros investigadores confirmaron sus descubrimientos y Berger ganó reconocimiento mundial. Con las nuevas aportaciones, la investigación de la actividad eléctrica del cerebro avanzó más rápido. Pronto se demostró que el ritmo alfa surgía de áreas especificas y no de todo el cerebro. La técnica se empezó a emplear en estudios clínicos de la epilepsia, los trastornos del sueño y otros males del cerebro.

La historia de Hans Berger y la electroencefalografía muestra un rasgo que se repite en la historia de la ciencia: el del investigador que buscando confirmar una creencia posiblemente sin fundamento, llega sin querer a resultados científicos que luego se consolidan. Los ejemplos abundan. La astronomía moderna surgió en parte de intentos de mejorar las predicciones astrológicas. La química se benefició del trabajo de los alquimistas, que buscaban transformar en oro los metales viles. Así, el afán de demostrar la telepatía llevó a Hans Berger a inventar el electroencefalógrafo y descubrir los ritmos de la actividad cerebral. En la construcción de la ciencia y la tecnología las motivaciones acaban por borrarse. Quedan sólo los resultados.

Amalgama entre cerebro y máquina

Si nuestros cerebros generan ondas eléctricas detectables, estas señales se pueden trasmitir a una computadora con el objetivo de usarlas para mover objetos virtuales, o incluso operar robots en el mundo real. Es decir, mediante nuestros pensamientos podríamos mover, por ejemplo, un brazo artificial. No se trata de telequinesis, sino de utilizar sensores, electrónica, mecánica y matemáticas para que un pensamiento se convierta en el movimiento a distancia de otro objeto. Empleamos nuestro conocimiento sobre la naturaleza y nuestra tecnología para mejorar y extender nuestras capacidades e interacciones con el entorno. Desde los años 70 hay investigaciones que buscan obtener un canal directo de comunicación entre el cerebro y la máquina. Lo que han ido revelando nos ha permitido entender mejor el funcionamiento del cerebro y desarrollar aplicaciones tecnológicas novedosas.

Los sistemas de interfaz cerebromáquina (como se les llama técnicamente) se basan en la detección de la actividad cerebral. Se puede detectar la señal eléctrica de grupos compuestos por millones de neuronas o unas cuantas decenas. Monitorear muchas neuronas permite obtener una señal estable y hace más fácil aprender a usar la interfaz. Detectar la actividad de pocas neuronas da más precisión en la orden ejecutada, lo que permite realizar tareas que requieren movimientos más finos. Una computadora procesa la señal, obteniendo las características de interés de acuerdo con los criterios de programación definidos por los investigadores, y la usa para interactuar con el entorno del modo deseado. Por lo general, el rasgo que se busca es el ritmo con el que se activan las neuronas.

En este artículo me interesan los casos en que la información se transmite del cerebro a las máquinas. Sin embargo, la información se puede transmitir también en sentido contrario, como sucede con las prótesis auditivas y visuales, que emplean sensores de sonido y de luz conectados al cerebro para recuperar un sentido perdido o lesionado. Aquí nos concentraremos en las aplicaciones en las que una intención es interpretada por una computadora para ejecutar una acción virtual o mecánica, lo que nos permite interactuar con el entorno sin mover un músculo.

Recuperar capacidades

Este fértil campo de desarrollos tecnológicos se ha centrado en dos vertientes. Por un lado, encontramos las aplicaciones médicas. Desde principios de los años 90 se han realizado cirugías para implantar sensores neuronales que permiten transformar un pensamiento en una orden a un aparato electrónico. Con tales aditamentos una persona con limitación de movimientos puede controlar aparatos electrodomésticos y sillas motorizadas, o mover un brazo robot. En el caso más extremo, una persona con parálisis motora total puede comunicarse con sus médicos y familiares respondiendo preguntas por medio de una interfaz cerebro- máquina que despliega las palabras sí o no en respuesta a dos señales cerebrales que el paciente aprende a generar. Por supuesto, existen muchas otras propuestas que pueden brindar a los pacientes una mejor calidad de vida y mayor independencia. Se han probado sistemas para escribir en una computadora, pero la selección de las letras por medio de señales cerebrales todavía es muy lenta y laboriosa.

En junio del 2009 la compañía Toyota y la fundación japonesa Riken presentaron una silla de ruedas motorizada que se conduce por control mental. La silla cuenta con un electroencefalógrafo con varios electrodos en un gorro, además de un sensor de presión que se instala en la mejilla y una pantalla auxiliar que indica el progreso de una orden mental antes de ejecutar cualquier movimiento. Para dar vuelta a la derecha, izquierda o avanzar basta con que el conductor se imagine esos movimientos. Entre la intención y la ejecución de la orden, la silla se mueve lentamente dando la sensación de tiempo real. Sin embargo, para detenerla se optó por una señal más clara: inflar una mejilla, lo que activa un sensor de presión. Según los constructores, el sistema es tan fácil de usar que bastan un par de horas para que un conductor novato se desplace con pericia por un circuito de obstáculos. Pese a lo espectacular, la silla todavía es un prototipo: falta mucho para conducir con un par de pensamientos un vehículo comercial, sea una silla de ruedas en un pasillo o un automóvil en la ciudad.

El sistema de detección de ritmos cerebrales de esta silla es sencillo: distingue únicamente tres estados mentales. En contraste, si deseamos construir una prótesis de brazo y mano tendremos que idear un detector más preciso, capaz de diferenciar más entre pensamientos y emociones; es decir, que pueda captar la actividad de cientos de neuronas en diferentes zonas del cerebro. Para asegurar la estabilidad de la señal será indispensable colocar electrodos en el interior del cráneo por medio de una cirugía.

Hay muchos obstáculos que limitan la aparición en el mercado de estos productos clínicos o terapéuticos. La industria considera estas prótesis neuronales poco atractivas económicamente porque, en general, cada paciente requiere una prótesis específica según sus necesidades y el mercado es relativamente pequeño. Otro problema es que los pacientes y sus familiares pueden concebir esperanzas exageradas en las capacidades que se pueden recuperar con la tecnología actual. Es común que se requieran meses para aprender a usar el sistema, al cabo de los cuales el paciente sólo puede realizar tareas simples. Hasta hoy la mayoría de estos aparatos son experimentales y están confinados a los laboratorios de investigación.

Juguetes

La industria del entretenimiento está muy interesada en desarrollar videojuegos controlados por la mente. Pese a ser un mercado económicamente muy atractivo, apenas hace seis años aparecieron en las vitrinas de las tiendas las primeras interfaces comerciales y no-invasivas cerebromáquina para juguetes. Para interactuar en Second Life, mundo virtual en Internet, el usuario se puede poner una diadema que cuenta con un par de electrodos para mover su avatar. En otro juguete, la diadema traduce la señal neuronal en una instrucción y la transmite por vía inalámbrica a un ventilador que eleva una pelotita de plástico. En una versión del juego de jalar la cuerda, dos competidores usan diademas que envían sus ritmos neuronales a una computadora que los interpreta para mover un carrito atraído por electroimanes hacia uno u otro de los contendientes.

Estos juegos los he probado y puedo asegurar que son muy divertidos, sencillos de dominar y un poco desconcertantes al principio. Mi fantasía de mover objetos con la mente como en La guerra de las galaxias se ha cumplido, aunque, claro, asistido por la electrónica y la mecánica. ¿Me estaré conformando con poco? Estos juguetes son la versión tosca de los electroencefalógrafos clínicos, que tienen algunas desventajas en lo que se refiere a extraer señales de actividad cerebral. En efecto, el cráneo amortigua y distorsiona la señal neuronal, de modo que se requieren millones de neuronas para generar una señal detectable en la diadema del juguete. Este método no permite localizar con precisión el origen de la señal, así que cuando movemos un cursor por medio de un sistema de interfaz no lo hacemos imaginándonos esta acción concreta. En realidad los juguetes responden al ritmo beta, que podemos generar a voluntad concentrándonos (por ejemplo cuando resolvemos un problema de matemáticas o tratamos de recordar un poema). Para obtener el efecto contrario en el juguete basta con relajarse y cerrar los ojos, con lo que se obtiene un ritmo alfa.

Patada inaugural

En noviembre del 2013 un equipo internacional de investigadores dirigido por Miguel Nicolelis, de la Universidad Duke, publicó en la revista Science Translational Medicine los resultados de una investigación con monos rhesus. Nicolelis y sus colaboradores se dedican desde hace muchos años a las interfaces cerebromáquina. En su más reciente investigación, enseñaron a los monos a controlar al mismo tiempo dos brazos virtuales (que los monos veían en una pantalla de computadora). Los investigadores implantaron electrodos directamente en los dos hemisferios del cerebro de los macacos y luego entrenaron a los monos durante dos semanas. Al final, los animales pudieron mover los brazos artificiales sin mover los propios para alcanzar objetivos predeterminados: algo parecido a jugar un videojuego en primera persona, pero con la cabeza llena de cables y sin moverse ni para comer. Este trabajo demuestra que el cerebro se puede adaptar para controlar sistemas complejos, incluso extremidades adicionales. Lamentablemente, estos experimentos requieren otra cirugía para retirar los electrodos y evitar su deterioro, y pueden producirse infecciones en el tejido. El equipo de Nicolelis, junto con el Proyecto Walk Again, organización internacional sin fines de lucro conformada por universidades y centros de rehabilitación, esperan realizar una demostración espectacular de las posibilidades de las interfaces cerebro-máquina en junio de este año. Si todo sale bien, un voluntario paralizado de la cintura para abajo se pondrá el traje mecánico con motores que está desarrollando esta organización, así como un gorro de electrodos conectados a una computadora. Ésta convertirá sus señales neuronales en instrucciones que se transmitirán inalámbricamente a esta especie de exoesqueleto. El voluntario se levantará de su silla de ruedas y dará la patada inaugural del Mundial de Futbol Brasil 2014.

Con este artículo, Vicente Torres Zúñiga ganó el Concurso de Divulgación y Periodismo de la Ciencia Gertrudis Uruchurtu, convocado por ¿Cómo ves?

Más información

Vicente Torres-Zúñiga es posdoctorante en el grupo de Óptica de la Facultad de Ciencias (UNAM). Ha impartido cursos para la carrera de física y el posgrado de física médica también de la UNAM. Le encanta hacer divulgación de la ciencia desde su blog personal: *el tao de la física*. @TaoFisica

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