Leer, escribir y mejorar las capacidades del cerebro humano

La comprensión del cerebro humano, el órgano más complejo de nuestra especie con unos 86.000 millones de neuronas y muchísimas más interconexiones entre ellas, es un ámbito claramente interdisciplinar sometido a una profunda disrupción debido a la convergencia en las últimas dos décadas de múltiples tecnologías que han madurado en poco tiempo (1). El uso integrado de estas tecnologías ha permitido, poco a poco, conocer la estructura y funcionamiento del cerebro a varios niveles (desde la estructura y comunicación entre neuronas individuales a los circuitos corticales de decenas de miles de neuronas, y hasta conocer la funcionalidad de regiones cerebrales).

El objetivo a largo plazo de poder ‘leer’ y ‘escribir’ información sobre el cerebro, en definitiva, la capacidad de interaccionar con nuestra mente, está más cerca… con todos los problemas tecnológicos, regulatorios y éticos asociados.

La mejora de la función cerebral de un ser humano se ha conseguido desde hace años mediante el uso de fármacos químicos que actúan sobre los neurotransmisores cerebrales en el tratamiento de depresiones, alteraciones del sueño o de la conducta. Actualmente, se dispone de tecnologías, neurotecnologías, que permiten estimular la actividad cerebral en zonas concretas, y obtener información en tiempo real de esa actividad con una precisión impensable hasta hace muy poco tiempo sin recurrir a fármacos que tienen un efecto general sobre el cerebro. Aunque su origen procede de los años sesenta del siglo pasado, ha sido en el presente siglo cuando han experimentado un cambio disruptivo.

Las neurotecnologías permiten estimular la actividad cerebral en zonas concretas y obtener información en tiempo real de esa actividad

La neuroestimulación como forma de interaccionar con el cerebro
El término ‘neuroestimulación profunda’ se refiere, cuando se aplica al cerebro humano (se aplica también a otros animales con cerebros complejos), al uso de un conjunto de técnicas para conocer el estado mental del ser humano y, mediante pulsos eléctricos, magnéticos, ultrasonidos o lumínicos emitidos a diferentes frecuencias, alterar funciones cognitivas con objetivos médicos (p.ej. reducir temblores o dolores) o para la mejora de prestaciones cognitivas (p.ej. mejorando la memoria), actuando en zonas profundas del cerebro con mayor o menor precisión
dependiendo de la técnica empleada.

La base científica para ello deriva de que, bajo condiciones apropiadas de amplitud, polaridad, duración o frecuencia del estímulo, las neuronas reaccionan a los campos eléctricos de una manera muy parecida a su respuesta natural a la señalización neuronal. De esta forma, la información enviada o recibida por el cerebro puede ser controlada (procesada) y guiada para imitar los procesos naturales. Este proceso se puede utilizar para abordar algunos trastornos neuronales como la demencia, el Parkinson, etc. o la mitigación de dolor crónico, pero también para modificar temporal o permanentemente el comportamiento de una persona con fines médicos… o no.

La neuromodulación de una zona del cerebro, para que sea efectiva, implica llegar de forma precisa hasta ella, obtener una señal de la actividad cerebral, procesarla (externamente o con sensores sobre el propio cerebro) y actuar mediante impulsos controlados sobre esa misma zona en función de la información obtenida. El proceso puede ser repetitivo.

Todavía existe una clara ventaja en términos de rendimiento de los implantes quirúrgicos con respecto a las soluciones no invasivas

Existen muchas técnicas posibles de neuroestimulación para interaccionar con el cerebro (BCI, Brain Computer Interfaces): desde las que requieren implantar electrodos en el interior del cerebro, a las que recogen información de la actividad cerebral y su estimulación mediante electrodos externos ‘próximos’ al cerebro. La figura 2 describe esquemáticamente la evolución de las tecnologías de interacción con el cerebro. El eje vertical las posiciona en términos de ‘prestaciones’ relativas a la ‘resolución espaciotemporal’ que se puede conseguir (es decir, la capacidad de estimular zonas próximas de manera diferente, o mediante impulsos cercanos en el tiempo), mientras que el eje horizontal lo hace en términos de ‘invasividad’ sobre el cuerpo humano.

En función de ello, se han establecido tres grandes grupos:

1. Altas prestaciones y alta invasividad, como los implantes neuronales quirúrgicos.
2. Medias prestaciones y media invasividad, como las técnicas de foto neuroestimulación, estimulación magnética o eléctrica.
3. Bajas prestaciones e invasividad, como los múltiples dispositivos ‘ponibles’ (wearables) que se han empezado a comercializar en los últimos años: cascos, diademas, etc.

Como se muestra en la figura 2, todavía existe una clara ventaja en términos de rendimiento de los implantes quirúrgicos con respecto a las soluciones no invasivas (portátiles). Como término medio, las técnicas mínimamente invasivas (p.ej. inyectadas, inhaladas, ingeridas, endovasculares) proporcionan una nueva gama de soluciones con un rendimiento que se acerca a las técnicas invasivas y que presentan menores problemas en su aprobación y uso. Probablemente, todas ellas continuarán su evolución acelerada durante esta década.

De señal cerebral a texto legible
La figura 3 presenta un esquema conceptual de una interfaz que permite convertir la señal cerebral en un texto legible por un observador humano. Véase cómo la señal procedente de un electrodo cerebral se registra para extraer características relevantes (p.ej. amplitudes medias en dos ventanas de tiempo). Dada una distribución de características tomada de señales anteriores, se puede procesar la señal grabada y traducirse en un comando que una persona puede interpretar (en la figura, la letra A).

Los continuos avances en el diseño de electrodos y baterías, la disponibilidad de mejores modelos de análisis de la actividad cerebral en base al mejor conocimiento de la estructura y dinámica cerebral, la estimulación cerebral en circuito cerrado (leer-procesar-actuar) y la emergencia de nuevas tecnologías de detección de la actividad cerebral (más localizada y en áreas más profundas) mejorarán la eficacia de la estimulación profunda no invasiva que, actualmente, tiene muchas limitaciones de precisión frente al uso de las técnicas de estimulación invasivas.

Convergencia tecnológica
Además, la convergencia tecnológica de las interfaces cerebro-computador con la Inteligencia Artificial y la nanotecnología son relevantes. En el primer caso, debe recordarse que no todo el proceso consiste en registrar información cerebral: después hay que procesarla inteligentemente. La incorporación de módulos de Inteligencia Artificial proporcionará un mejor análisis de los datos cerebrales capturados y la posibilidad de compararlos con otros, y permitirá la neuromodulación inteligente en bucle cerrado estimulando en tiempo real en función del análisis de los datos obtenidos. Ello ha permitido capturar datos cerebrales que permiten ‘leer’ o correlacionar estados mentales, experiencias visuales o incluso sueños con un grado de precisión y resolución mayor, incluso cuando las tasas de adopción futura de estas tecnologías sean inciertas.

Por otro lado, la convergencia de las interfaces cerebrales y la nanotecnología permitirá diseñar implantes miniaturizados con nuevos materiales biocompatibles para técnicas invasivas capaces de conectar directamente con un número creciente de neuronas individuales, como algunas empresas ya han empezado a ensayar en animales (véase en la figura 4 la imagen de un experimento de la empresa Neuralink con un implante cerebral que permite a un mono jugar al ‘Pong’ en un ordenador solo con su mente).

Mejora de capacidades cognitivas
La neurotecnología puede también asociarse con la mejora de capacidades cognitivas (p.ej. la mejora de la memoria, la capacidad de aprendizaje o la resistencia al sueño con estado de alerta incrementado) potenciadas por los avances científicos basados en el mejor conocimiento estructural del cerebro humano y de la dinámica de la función cerebral. Sus usos pueden ser tanto civiles como militares, como corresponde a una tecnología dual.

Su uso en el ámbito militar, aplicado a personas sanas, puede estar ligada a objetivos similares a los civiles de mejora del estado anímico, atención, mejora de la memoria a corto o largo plazo, mantenimiento de un comportamiento estable ante situaciones de estrés, manejo de objetos con la mente (p.ej. pilotaje mental de drones), etc., así como a permitir la detección temprana de estados de consciencia atenuados para reducir riesgos. Algunas agencias de investigación de Defensa como DARPA (Estados Unidos) han iniciado programas específicos (2). En la figura 5 se ve un ejemplo de una persona controlando un dron con la mente mediante un sensor (diadema) externo desarrollado por la empresa Ultra Electronics.

Las neuronas son capaces de evolucionar en un sustrato de materiales semiconductores

Un paso más hacia la biología sintética inteligente (BSI) se está produciendo con avances disruptivos en la integración de neuronas con circuitos nanoelectrónicos, mejorando las capacidades de los dos enfoques empleados independientemente. Como ejemplo de avances obtenidos, el anuncio realizado por la empresa australiana Cortical Labs (3) del desarrollo del sistema DishBrain (Kagan et al., 2022) (4) supone la adaptación de la computación a neuronas en un entorno ad hoc. Las neuronas son capaces de evolucionar en un sustrato de materiales semiconductores. La tecnología emergente de la neuro-nanoelectrónica se está desarrollando con fuerza, aunque aún falte tiempo para que se autorice su uso, llegue al mercado y pueda emplearse en aplicaciones médicas.

Gemelo digital
En una línea de trabajo adicional se ha comenzado a trabajar en la creación de un gemelo digital personalizado de alta fidelidad del cerebro de una persona (en realidad, únicamente de parte de él), recibiendo constantemente nueva información del mundo real para adaptarse inmediatamente a su entorno. Se trata de un enfoque prometedor para la neurorrehabilitación funcional al poder experimentar sobre determinadas terapias y conocer la actividad y plasticidad del cerebro para un tratamiento individualizado.

La complejidad del cerebro vivo, la accesibilidad limitada para medir la actividad cerebral y nuestra comprensión incompleta de los procesos cerebrales hacen que la realización del enfoque de gemelos digitales sea difícil de llevar hasta sus últimas consecuencias. Su utilización en la práctica con impactos médicos requerirá nuevos desarrollos técnicos disruptivos (por ejemplo, inmersión ecológica de ese cerebro gemelo en entornos simulados, gran ancho de banda, interfaces cerebro-máquina estables, potencia computacional muy alta) que aún no existen (al menos de forma completa), pero que sí se han logrado en órganos menos complejos como el corazón.

Modificación genética
En otra dirección de investigación complementaria, desde hace años se está analizando la relación entre las capacidades cognitivas y la estructura del genoma de una persona. Recientemente, la maduración de las técnicas de modificación genética (p.ej. CRISPR) se ha empleado en conseguir alterar la función cerebral de forma permanente en animales (5). Esta otra ‘convergencia tecnológica’ de la neurotecnología con el ámbito de la denominada biología sintética nos conducirá a un nuevo punto de inflexión al final de esta década con consecuencias aún no totalmente conocidas.

Regulación, ética y aceptación
Todas estas técnicas empiezan a conseguir resultados esperanzadores, aunque el marco regulatorio y las directrices éticas estén todavía poco definidas, con lo que su incorporación al uso médico será paulatina. Su uso en individuos sanos dependerá no solo de la regulación, sino también de la aceptación social que consigan.

Se ha comenzado a trabajar en la creación de un gemelo digital personalizado de alta fidelidad del cerebro de una persona

Como la mayor parte de los desarrollos tecnológicos, no está exento de riesgos. Con la neurotecnología surge un nuevo tipo de riesgo potencial procedente de la interacción externa en dispositivos de neuroestimulación con objetivos no aceptados o conocidos previamente, lo que obligará a desarrollar una regulación inteligente. A modo de ejemplo, ¿qué pasaría si este tipo de sistemas fuera interceptado de manera no controlada por personas no autorizadas (hacking de información cerebral)? O, en otras palabras, ¿qué pasaría si los sofisticados sistemas de neurotecnología fueran controlados por personas o instituciones externas sin el permiso explícito de la persona que los lleve? Encontrar el equilibrio entre el principio de precaución y permitir la innovación no es sencillo.

En definitiva, nos encontramos ante una tecnología disruptiva con enormes beneficios potenciales que exige adoptar visiones multidisciplinares con la participación de médicos, psicólogos, informáticos o Ingenieros de Telecomunicación, entre otros. Para ello también será necesario ampliar el marco formativo de referencia y adoptar una actitud proactiva para anticipar los conocimientos necesarios y el papel que los futuros Ingenieros de Telecomunicación pueden desempeñar en la sociedad.

¿Para cuando el ensayo con humanos?

La generación de un nuevo tipo de implantes cerebrales capaces de conectar con más de mil neuronas individualmente, como el desarrollado por la empresa Neuralink, se ha ensayado en animales. Su uso en experimentos con humanos se ha aprobado recientemente (los ensayos empezarán a finales de este año) aunque, probablemente, tardará en aplicarse rutinariamente porque hay que resolver problemas derivados de la reacción del tejido neuronal a un cuerpo extraño. Otros, menos disruptivos, empleando los vasos sanguíneos cerebrales para colocar una prótesis cerebral como el de la empresa Synchron, ya habían recibido autorización para realizar ensayos con humanos, y se están evaluando los resultados.

Proyecto Human Brain

El proyecto Human Brain, financiado por la Comisión Europea y múltiples países desde 2013, ha elaborado un ‘atlas digital del cerebro humano’ por el que es posible ‘navegar’ a diferentes zonas cerebrales y obtener información (imágenes, datos, vídeos) ya existente a diferentes niveles de detalle, con aplicaciones para investigación y en la planificación de operaciones de neurocirugía de varias enfermedades como la epilepsia.

NOTAS

1. https://www.darpa.mil/program/targeted-neuroplasticity-training
2. https://corticallabs.com/
3. Kagan,B. J., Kitchen A. C., Tran, N. T. Parker, B. J., Bhat, A., Rollo, B., Razi, A. and Friston. K. J., (2022).
   In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world, Neuron.
   https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.09.001
4. El gen MCPH1 (responsable del tamaño del cerebro) ha sido introducido en macacos y los autores reportaron un cierto aumento de las capacidades mentales de los monos genéticamente transformados. https://theconversation.com/seria-posible-mejorar-las-capacidades-cognitivas-de-los-chimpances-189743
5. Gaudry, K., Ayaz, H., Bedows, A., Celnik, P., Eagleman, D., Grover, P., Illes, J., Rao, R., Robinson, J.T.,
   Thyagarajan, K., (2021). Projections and the potential societal impact of the future of neurotechnolo-
   gies. Frontiers in neuroscience. 15 November 2021. https://doi.org/10.3389/fnins.2021.658930