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Miércoles, 27 marzo 2013
Neurología

Conexión entre cerebros distantes mediante una interfaz artificial

En un experimento que no mucho tiempo atrás sólo habría podido ser abordado en una historia de ciencia-ficción, unos investigadores, por vez primera, han conectado electrónicamente los cerebros de pares de ratas, permitiendo a éstas comunicarse directamente para solucionar problemas simples. En uno de los experimentos se logró enlazar los cerebros de dos animales separados por miles de kilómetros, uno en Durham, Estados Unidos, y otro en Natal, Brasil.

Los resultados obtenidos hasta ahora en esta fascinante línea de investigación sugieren que podría ser factible enlazar entre sí más de dos cerebros vivientes, para formar lo que el equipo de investigación llama "computadora orgánica", una singular máquina semiviviente que permitiría el flujo de información sensorial y motora entre los seres conectados.

En una serie anterior de experimentos con interfaces neuronales, sobre la que ya publicamos un artículo recientemente, el equipo del neurobiólogo Miguel Nicolelis, profesor en la Universidad Duke en Durham, Carolina del Norte, Estados Unidos, con una trayectoria que engloba la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza, y que también desempeña otras actividades científicas en Brasil, su país natal, comprobó que la plasticidad o capacidad de adaptación del cerebro de rata es mayor de lo que se creía. En aquellos experimentos, el cerebro de rata pudo adaptarse fácilmente a la recepción de señales generadas por dispositivos artificiales de fuera del cuerpo, e incluso aprender a procesar luz infrarroja, invisible para la vista natural, generada por un sensor artificial. Entonces, la pregunta que Nicolelis y sus colaboradores se plantearon fue que si el cerebro puede asimilar señales de sensores artificiales, ¿también puede adaptarse a recibir información generada en un cuerpo diferente?

Para poner a prueba esta hipótesis, los investigadores primeramente entrenaron parejas de ratas para que resolvieran un problema simple: Presionar la palanca correcta cuando se encendía una luz indicadora encima de dicha palanca, lo cual las recompensaba con un sorbo de agua. Luego, conectaron los cerebros de los dos animales mediante conjuntos de microelectrodos insertados en el área de la corteza que procesa la información motora.

[Img #12717]
Uno de los dos roedores fue designado como el animal "emisor" o "codificador". Este animal recibía una señal visual que mostraba cuál palanca presionar para obtener la recompensa de agua. Cuando esta rata "codificadora" presionaba la palanca correcta, una muestra de la actividad cerebral que codificaba su decisión de conducta era traducida en un patrón de estimulación eléctrica que era suministrado directamente al cerebro de la segunda rata, conocida como el animal "receptor" o "descodificador".

La rata descodificadora tenía los mismos tipos de palancas en su recinto, pero no recibía señal visual alguna que le indicara cuál palanca debía presionar para obtener la recompensa. Por tanto, para presionar la palanca correcta y recibir la recompensa que anhelaba, la rata descodificadora debía valerse de la señal transmitida desde el animal codificador a través de la interfaz entre ambos cerebros.

Los investigadores llevaron a cabo pruebas para determinar cuán bien el animal descodificador podía descifrar las señales provenientes del cerebro de la rata codificadora para elegir la palanca correcta. La rata descodificadora acabó alcanzando una tasa máxima de éxito de cerca del 70 por ciento, un valor ligeramente inferior a la tasa máxima de éxito alcanzable del 78 por ciento que los investigadores habían predicho basándose en las tasas de éxito obtenidas al enviar señales directamente al cerebro de la rata descodificadora.

Es importante destacar que la comunicación proporcionada por esta interfaz entre los dos cerebros permitió también una circulación bidireccional. Por ejemplo, la rata codificadora no recibía la recompensa completa si la rata descodificadora hacía una elección incorrecta. El resultado de esta situación particular condujo al establecimiento de una "colaboración de conducta" entre cada rata conectada mentalmente a la otra.

[Img #12718]
Los investigadores observaron que cuando la rata descodificadora cometía un error, la rata codificadora variaba su forma de pensar y su conducta para que a su compañera le resultara más fácil saber qué palanca accionar. Con esto, la rata codificadora mejoraba la relación señal/ruido de la actividad cerebral que representaba su decisión, con lo que dicha señal se hacía más clara y fácil de detectar. Y tomaba una decisión más rápida y clara al elegir la palanca correcta para presionar. Invariablemente, cuando la rata codificadora hacía esos ajustes, la descodificadora tomaba con más frecuencia la decisión correcta, de modo que ambas obtenían una mejor recompensa.

En otra tanda de experimentos, se entrenó a ratas para que colaborasen en otros objetivos de interés común valiéndose de la interfaz mental entre ambas. En esta ocasión, el sentido empleado por la rata codificadora para captar en su entorno la información estratégica fue el tacto, aportado por los pelos de su bigote. (Dichos pelos les suministran a estos animales alguna información táctil sobre aquello que tocan.) El grado de éxito en la colaboración también llegó a ser significativo.

Para probar los límites de la transmisión de información entre ambos cerebros, los investigadores colocaron una rata codificadora en Brasil, concretamente en el Instituto Internacional Edmond y Lily Safra de Neurociencia en Natal (ELS-IINN), y transmitieron sus señales cerebrales a través de internet hasta una rata descodificadora en Estados Unidos, concretamente en la Universidad Duke en Durham. El equipo de investigación constató que las dos ratas podían trabajar juntas en la tarea de selección táctil.

Así que, aunque los animales estaban a tanta distancia, con "ruido" en la transmisión y demoras en la señal, todavía podían comunicarse. "Esto nos dice que podría ser posible crear una red funcional de cerebros animales distribuidos por muchos lugares diferentes", aventura Miguel Pais-Vieira, del equipo de investigación.

Otros miembros del equipo son Mikhail Lebedev y Jing Wang de la Universidad Duke, y Carolina Kunicki del ELS-IINN.

"Estos experimentos han demostrado la capacidad para establecer un enlace de comunicación directa y sofisticada entre cerebros de ratas, y que el cerebro descodificador funciona como dispositivo de reconocimiento de patrones", explica Nicolelis. "Así que, básicamente, estamos creando una computadora orgánica que soluciona un problema".

Los investigadores de la Universidad Duke y del ELS-IINN ahora están trabajando en experimentos para establecer una conexión mental cooperativa entre varios animales a fin de que puedan resolver tareas conductuales más complejas. "No podemos predecir qué tipos de propiedades emergentes aparecerán cuando los animales comiencen a interactuar entre ellos como parte de una red de cerebros. En teoría, cabe esperar que una combinación de cerebros pueda alcanzar soluciones que cerebros individuales no podrían alcanzar por sí solos", aventura Nicolelis. En su opinión, ni siquiera se puede descartar que semejante conexión pueda acarrear que un animal incorpore el sentido del "yo" de otro animal.

De hecho, los análisis de la corteza sensorial de las ratas descodificadoras en estos experimentos mostraron que el cerebro de estas ratas comenzó a representar en su propia corteza táctil no sólo los pelos de su propio bigote, sino también los del bigote de la rata codificadora. El equipo de investigación detectó neuronas de la corteza que respondían ante ambos sistemas de pelos de bigotes, lo que significa que la rata creaba una segunda representación de un segundo cuerpo sobre el suyo propio. Estudios básicos de estas adaptaciones podrían conducir a un nuevo campo que Nicolelis llama la "neurofisiología de interacción social".

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