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Decodifican el circuito cerebral del habla

De la tinta de Arturo Barba

Arturo Barba Viernes 26 De Abril, 2019 · 07:40 am
Decodifican el circuito cerebral del habla
Basados en avances en los campos de la inteligencia artificial, lingüística y neurociencia, un equipo de científicos de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) desarrolló un decodificador del circuito cerebral humano que controla las señales de los movimientos del tracto vocal como la mandíbula, laringe, labios y lengua.

Aunque parece sencillo por lo cotidiano, el habla es una de las acciones más complejas que lleva a cabo el ser humano, ya que se requiere una coordinación precisa y dinámica del cerebro con los músculos de las estructuras articuladoras de la voz llamada “biomimética”. De ahí la gran dificultad para comunicarse que padecen millones de personas con afecciones neurológicas o anatómicas que han perdido el habla en todo el mundo.

Basados en avances en los campos de la inteligencia artificial, lingüística y neurociencia, un equipo de científicos de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) desarrolló un decodificador del circuito cerebral humano que controla las señales de los movimientos del tracto vocal como la mandíbula, laringe, labios y lengua.

De acuerdo con la revista Nature de esta semana, con este avance se podrán crear interfaces cerebro-computadora para enviar señales del lenguaje a un sintetizador de voz, con el simple hecho de pensar en las palabras y oraciones.

La nueva herramienta permitirá, en un futuro, contar con un procesamiento neuronal que le permita comunicarse a las personas que han perdido el habla a través de un sintetizador. Cortesía: Nature/Nicholas Weiler, UCSF.

Algunas personas que han perdido el habla utilizan aparatos de comunicación cerebro-computadora que se basan en mecanografía controlada por el cerebro, como lo hizo el célebre físico Stephen Hawking. Pero estos aparatos emplean interfaces controladas por movimientos de la cabeza o de los ojos para deletrear, que son lentos, con un promedio de ocho palabras por minuto. La nueva herramienta permitirá, en un futuro, contar con un procesamiento neuronal casi a la velocidad normal del habla humana, que en promedio llega a 150 palabras por minuto.

El método desarrollado por el equipo de científicos encabezado por Edward Chang, de la UCSF, se basa en la decodificación de las señales cerebrales de los movimientos del tracto vocal, que se identifican y transcriben fácilmente en palabras sintetizadas por una computadora.

Llevaron a cabo experimentos en los que se pidió a varios participantes pronunciar cientos de oraciones, y luego las repitieron reproduciendo los mismos movimientos articulatorios, sin emitir el sonido de las palabras. Mientras realizaban estas tareas, los voluntarios se sometieron a un procedimiento llamado “monitoreo intracraneal”, que usa electrodos para detectar y rastrear esa actividad en determinadas áreas del cerebro.

El nuevo dispositivo se basa en la decodificación de las señales cerebrales de los movimientos del tracto vocal, que se identifican y transcriben fácilmente en palabras sintetizadas por una computadora.

Foto cortesía de: Nature/Nicholas Weiler, UCSF.

Con las grabaciones de audio de las voces de los participantes, los investigadores se basaron en principios lingüísticos para aplicar técnicas de ingeniería inversa a los movimientos del tracto vocal necesarios para producir los sonidos: juntar los labios, apretar las cuerdas vocales, carraspear, emitir ruidos guturales, mover la punta de la lengua hacia el paladar, pegarla detrás de los dientes, luego relajarla, morder los labios, y así sucesivamente, como lo hacemos de manera continua e inconsciente cuando hablamos.

Así, lograron mapear el circuito cerebral responsable de articular los elementos anatómicos, mecánicos y fonéticos del habla –es decir, la función motora–, y revelaron la forma en que las señales del cerebro se relacionan con los movimientos del tracto vocal. Esa correlación del sonido con la anatomía les permitió a los científicos crear un tracto vocal virtual, lo más realista posible, que podía ser controlado por la actividad cerebral de cada sujeto de estudio.

Para reconstruir el habla, en lugar de transformar las señales del cerebro directamente a señales de audio, los investigadores crearon dos algoritmos de aprendizaje automático de la “red neuronal artificial” para transformar los patrones de la actividad cerebral producidos durante el habla y convertirlos en representación de los movimientos, para luego decodificarlos en oraciones habladas por un sintetizador de voz (como el de Hawking).

Algunas personas que han perdido el habla utilizan aparatos de comunicación cerebro-computadora que se basan en mecanografía controlada por el cerebro, como el célebre científico Stephen Hawking.

Este enfoque en dos etapas resultó en un sistema con menos distorsión acústica que aquellos que transforman las señales cerebrales directamente en sonido. Si bien no se alcanzó la eficiencia del habla “normal”, sí se obtuvo una comunicación más rápida y precisa que los sistemas con interfaces cerebro-computadora utilizados actualmente y que se basan en mecanografía controlada por el cerebro.

Con este nuevo avance se demuestra que es posible crear una versión sintetizada de la voz que puede controlarse directamente desde el cerebro y generar oraciones completas.

En pocos años podremos observar este nuevo sistema no solo para auxiliar a los seres humanos que han perdido el habla y reproducir parte de la musicalidad de la voz humana que transmite las emociones y la personalidad del hablante, sino también para controlar máquinas, programas de computadora y robots, que incorporen sistemas de inteligencia artificial con este nuevo circuito neuronal del habla.

Marcapasos con pila autorrecargable

Las enfermedades cardiovasculares que afectan el corazón y los vasos sanguíneos son la principal causa de muerte en el mundo, de acuerdo con la Organización Mundial de la Salud,  y entre estos padecimientos las arritmias cardiacas ocupan un lugar preponderante, por ello, en todo el planeta alrededor de 2 millones personas utilizan marcapasos (13 mil en México, cada año).

La pila del marcapasos hecha con hojas de nanomateriales se autorrecarga con el propio movimiento del latido del corazón al que ayuda a regularizar sus latidos.

Los marcapasos son dispositivos eléctricos que ayudan al corazón a regularizar el ritmo cardiaco de los enfermos, sin embargo, estos aparatos y otros dispositivos médicos implantables funcionan con baterías que son voluminosas, rígidas y de corta duración, y aquellas personas que ya cuentan con un marcapasos tienen que someterse a una cirugía para cambiar la pila cada dos años, en promedio, lo que aumenta los riesgos de infección, incompatibilidad y otras anomalías.

Por ello, un grupo de investigadores de Estados Unidos y China se dedicaron a desarrollar un generador implantable que puede recolectar la suficiente energía del movimiento cardíaco para alimentar un marcapasos comercial. Así, la pila del marcapasos se autorrecarga con el propio movimiento del latido del corazón al que ayuda.

Crearon un dispositivo biocompatible y mecánicamente duradero, y lo probaron en cerdos, animales que tienen un corazón anatómicamente muy similar al humano. El dispositivo tiene forma de hoja delgada que se adhiere a la superficie del corazón como un parche. Aprovecha el efecto triboeléctrico –que genera una carga eléctrica causada por el contacto o rozamiento entre dos o más materiales–, cuando el corazón late y genera electricidad para el marcapasos.

Todavía falta mucho para probarse en los humanos, pero el gran logro de este trabajo es demostrar que, gracias a los avances en nanomateriales, la bioelectrónica puede generar suficiente energía sin necesidad de cambiar las pilas de los marcapasos.

Comentarios y sugerencias @abanav y abanav@gmail.com