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Neuralink y la Tecnología que hay Detrás.

El lanzamiento de Neuralink fue una de las presentaciones en neurociencia más impresionantes que he visto nunca. No se trató de un solo avance respecto al estado del arte, sino de varios descubrimientos, cada uno más revolucionario en sí mismo. He querido documentar la tecnología que hay detrás y el impacto que supondrá y cómo funciona, sin duda un punto de inflexión dentro del campo.

Exploremos de qué se trata…


¿Qué es Neuralink?

Elon Musk anunciaba su nuevo proyecto en 2016, con el objetivo de conectar el cerebro humano y los ordenadores a través de interfaces cerebro-computador (BCI). Ha reunido un equipo de científicos, doctores, ingenieros eléctricos, cirujanos y más. Y acaban de presentar su tecnología.

El evento, de tres horas de duración, fue en parte un espectáculo de marketing y en parte una explicación técnica.

Por un lado, Musk y los miembros de su equipo describieron el diseño de la interfaz cerebro-computador de «gran ancho de banda» por la que apuestan, que empleará docenas de finos cables para registrar señales del cerebro conectados a un módulo inalámbrico.

Sin embargo, parecía haber discrepancias entre lo que Musk y su equipo presentaron en el evento en San Francisco y lo que dijeron en este artículo de investigación que publicaron.

Artículo de Neuralink

Curioso ver en un artículo de este estilo como los autores son el propio Elon Musk y… Neuralink.

Aunque el artículo no ha seguido la revisión científica por pares (peer-review), la comunidad neurocientífica se ha hecho eco de esta presentación, y hay numerosos neurocientíficos y neuroingenieros discutiendo sobre ello.

Algunos de ellos cautos en cuanto a como van a realizar sus planes y otros sorprendidos por la hazaña de Neuralink.

«El documento, diría yo, es mucho menos ambicioso que la presentación general».

Jacob Robinson, neuroingeniero de la Universidad de Rice

Durante la presentación, Musk y su equipo hablaron sobre una interfaz cerebro-computadora bidireccional que podría registrar y estimular la actividad neuronal.

An image of a woman with a device behind her ear
Módulo inalámbrico colocado detrás de la oreja.

Según su modelo, la interfaz podría estimular la corteza somatosensorial (tacto, temperatura, propiocepción…) de manera que los pacientes paralíticos pudieran recuperar sensaciones.

Por otro lado, Musk, en la presentación, también habló sobre la idea de fusionar los cerebros humanos con la inteligencia artificial. Aun así, en el artículo no hay datos que apoyen nada de esto.

Desde mi punto de vista, creo que no se trata de fusionar el cerebro y la IA, sino de aumentar o mejorar nuestras propias habilidades y sentidos.

Veo esta presentación más como un movimiento estratégico. Una jugada maestra del hype, no por ello menos importante. Como Musk decía al empezar la presentación: «La única razón de este evento es hacer recruiting«.

Un ejemplo de ello es el video con el que empezaron el evento. Desgranemos el concepto de tecnología que presentaron…

Video publicado en la presentación.

¿Qué presentaron?

No es nuevo. Multitud de científicos han estado probando implantes cerebrales en pacientes para permitir mover cursores de ordenador o brazos robóticos, pero sólo había ocurrido en entornos de investigación.

Andrew Schwartz ha trabajado previamente personas paralíticas en su laboratorio y les ha permitido controlar un brazo robótico con sus mentes.

«Conceptualmente eso es genial; necesitamos sacar las investigaciones del laboratorio y comercializarlas».

Andrew Schwartz, investigador de la interfaz cerebral de la Universidad de Pittsburgh

Pero el montaje del experimento era tan complicado que los sujetos no podían llevárselo a casa.

Neuralink quiere probar su tecnología en personas paralíticas, para probar que pueden estimular la actividad neuronal y recuperar habilidades.

Su objetivo es conectar esos finos hilos a un modulo inalámbrico colocado detrás de la oreja.

Ilustración de cómo podría ser la primera interfaz cerebro-máquina de Neuralink en humanos, con una serie de implantes conectados a un dispositivo implantado quirúrgicamente detrás de la oreja.

Y para ello, han desarrollado un chip a medida para recibir y procesar los potenciales de acción eléctrica – «picos»- que generan la actividad de los grupos de neuronas. Es decir, lee las señales analógicas del cerebro, las amplifica, digitaliza, las procesa y luego lo envía a este módulo

Estos hilos se implantan en el tejido cerebral mediante un robot que han desarrollado. Coloca esos cables con una precisión nanométrica capaz de evitar los vasos sanguíneos que se extienden por la superficie del cerebro.

Es decir, Neuralink está tratando de diseñar una interfaz cerebro-computador miniaturizada y segura de 5mm, capaz de leer hasta 20.000 muestras por segundo.

¿Tienen realmente potencial los implantes de Elon Musk para la neurotecnología? La comunidad científica está bastante impresionada. Veamos qué hay detrás de la tecnología de Neuralink.
Prototipo.

Como vemos, se centra en tres temas que serán importantes para cualquier tecnología futura de interfaces cerebro-computadora:

  • Materiales flexibles para los electrodos.
  • Miniaturización de la electrónica.
  • Interacción inalámbrica con dispositivos externos.

Con estos avances consiguen medir la actividad de grupos de miles de neuronas. Y esto, ¿qué significa?


¿Qué es la actividad neuronal?

A diferencia de los transistores de cualquier circuito digital, la mayoría de las neuronas en el cerebro combinan señales débiles de miles de otras neuronas. Es decir, cada una por sí misma no tiene una función única.

Recogen esta información a través de las sinapsis: las uniones donde las neuronas se contactan entre sí. Entonces, conexiones sinápticas de un gran número de estas se combinan en una neurona objetivo para producir una salida eléctrica.

Esta salida consiste en un conjunto de pulsos breves, conocidos como potenciales de acción, o más coloquialmente como «picos».

La información es transmitida por los cambios en la tasa de estos «picos». Y para aumentar la complejidad de los circuitos, las conexiones entre neuronas pueden ser moldeadas por experiencias, cambiando la fuerza o intensidad con la que disparan, a través de la plasticidad sináptica.

La información que se procesa en el cerebro aparece así, como patrones cambiantes de «picos» en las redes neuronales.


Diseño

Registrar la actividad de multiples neuronas require de multiples electrodos. Esta ampliación es un reto porque un gran número de electrodos podría producir daños irreparables.

Además, es difícil obtener registros fiables y duraderos, ya que los materiales se degradan y los sensores son rígidos y se mueven.

Aquí es donde la ingeniería viene al rescate. Gracias a las técnicas de fabricación a escala nanométrica, ahora es posible fabricar electrodos para que registren actividad en cientos de sitios a lo largo del eje del electrodo; así pueden ser mucho más pequeños y flexibles.

Y la electrónica con una gran potencia de procesamiento puede reducirse al tamaño de un dedo que se pueda implantar debajo de la piel.

Estos avances son los que ha tomado Neuralink.

«Han tomado un montón de cosas de vanguardia y las ha reunido en formas que los equipos académicos llevan tiempo luchando por hacer»

Andrew Hires, profesor de ciencias biológicas de la Universidad de California

Una de las características clave del sistema de Neuralink es la gran cantidad de electrodos que planean implantar. A través una aguja dispara rápidamente al cerebro sondas con arrays de electrodos. En el artículo publicado aseguran haber implantado 3.072 electrodos en cerebros de ratas.

Figure 6 from Neuralink whitepaper
A la izquierda, los electrodos en forma de hilo implantados en el cerebro de la rata. A la derecha, una rata con el chip N1 conectado a un módulo USB.

Por otro lado, el chip N1 que mostraron se trata de un un chip en miniatura , cuyo trabajo es convertir la señal eléctrica de las neuronas en señales digitales nítidas.

Uno de los grandes problemas de las interfaces cerebro-computador es la resolución de la señal que se consigue. Es decir, cuál es el ratio neuronas/electrodo. Porque a mayor resolución (espacial en este caso), mayor precisión.

Actividad registrada de una rata

Leyendo sus resultados, por el momento su tecnología está ahora sólo en las cabezas de 19 ratas, con un 87% de los electrodos insertados con éxito.

Neuralink afirma que a través de estos arrays de electrodos llegaron a registrar unas 1.000 neuronas en una rata.

En este sentido, no rompen ningún récord. Ya se tienen registros con 30 neuronas en la corteza motora del cerebro de un voluntario mientras imagina como mover su brazo, y era suficiente para controlar el cursor de un ordenador.

Se trata de cables de polímero delgados y flexibles que introducen en el cerebro a través de agujeros en el cráneo.

Comparación del grosor del pelo humano vs uno de los hilos.

En este video que adjuntan al artículo se puede ver cómo funciona el robot en un material parecido al cerebro. He omitido imágenes sobre cómo se implanta en ratas por ser demasiado desagradables. Pero si quieres verlas están aquí.

Video sobre como funciona el implante.

Como vemos, el robot funciona como una máquina de coser. Coge el hilo y calcula la trayectoria donde debe implantarlo. Por eso las distintas luces que van cambiando porque tiene que registrar los puntos críticos.

Tendrá que ser capaz de hacer esto mientras tiene en cuenta los movimientos naturales del cerebro.


Robot

Seguramente el avance más revolucionario: un robot de neurocirugía que inserta automáticamente los hilos finos de los electrodos en el cerebro en lugares precisos, evitando los vasos sanguíneos…

Aseguran hacerlo a un ritmo de seis por minuto. Es decir, en unos 45 minutos se estima el implante de esta tecnología.

Además, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa, DARPA, publicó en twitter que habían financiado el desarrollo inicial del robot que Neuralink presentó como idea propia.

link al tweet

Se trata de un proyecto muy potente. Ya no por la cantidad de financiación que han conseguido, sino por las colaboraciones que han desarrollado: Berkeley, Stanford, DARPA, etc… Creo que son razones por las que darle peso a esta presentación.


Procesador

Hemos visto que llegaron a implantar más de 3000 hilos en ratas, y que son capaces de capturar un gran ancho de banda.

¿Y cómo son capaces de transmitir esta información capturada a un ordenador? Con el chip N1.

Este consigue una resolución temporal de 900ns, y tiene 1024 canales. Y esto mientras consume sólo potencia del orden de microvatios. Una verdadera obra de nanotecnología.

Por otro lado, no están haciendo ningún clustering de potenciales de acción en tiempo real. Sólo detección de estos.

Por lo tanto, la detección de potenciales de acción en el chip consiste en reducir el ancho de banda necesario para obtener los datos relevantes del dispositivo, enviando únicamente los bits interesantes.

An external file that holds a picture, illustration, etc.
Object name is z9k0070995080002.jpg
Esta ilustración muestra la trayectoria espacial de registros de grupos de neuronas.

Medir la actividad de miles de neuronas ya ha permitido mejorar funciones cognitivas en animales.

Mediante técnicas de reducción de dimensionalidad (técnicas de machine learning), se puede inferir en dimensiones reducidas la correlación entre la trayectoria que sigue la actividad neuronal respecto a habilidades cognitivas como mover un brazo.

Aun así, el cerebro es un todo integrado. Un cableado de 86.000 millones de neuronas. Creo que veremos poco a poco pequeñas aplicaciones con esta tecnología, pero no grandes pasos.


Futuro

Los primeros voluntarios serán personas con cuadriplejia, dispuestas a tener cuatro chips implantados: tres en la corteza motora del cerebro (aproximadamente desde la parte superior de la oreja hasta la parte superior de la cabeza) para proporcionar retroalimentación en bucle a la corteza somatosensorial.

El estímulo eléctrico es mucho menos específico que registrar la actividad neuronal. Es decir, activarán muchas neuronas a la vez.

Está bien para algunas aplicaciones, pero no para otras. La corteza probablemente puede aprender a interpretar los patrones de estimulación si existe una correlación consistente entre el patrón y la información que se entrega.


Desafíos

El hardware de Neuralink podría ser un salto adelante para la investigación.

Tamaño

La resolución es alta, aunque ya otros grupos han alcanzado números parecidos, como en el proyecto llamado Neuropixels, ninguna ha sido capaz de sacarlo del laboratorio.

Comparación 1:1 del cerebro de una rata y un cerebro humano.

«Diseñar un hardware de tamaño razonable y con capacidad para unos pocos miles de canales es un reto de ingeniería que no es adecuado para entornos académicos y, lo más importante, para presupuestos».

Polina Anikeeva, científica de materiales que trabaja en neuroelectrónica en el MIT

Tiempo de vida y Daño Vascular

Uno de los retos con el enfoque de estos electrodos flexibles reducir el daño provocado. Sin embargo, es necesario conectar las roscas del electrodo a un dispositivo de inserción rígido que sea lo más delgado posible.

Su tecnología es similar a la desarrollada en este artículo. En él, utilizaron polímeros biodisolubles para fijar hilos de hasta 7um de diámetro, que tenían una duración de 4 meses. Ese tamaño minimizaría el daño.

La flexibilidad en el hilo del electrodo es de vital importancia para la biocompatibilidad, ya que el cerebro es extremadamente blando. Además, las fuerzas causadas por el desplazamiento del cerebro en relación con cualquier objeto rígido insertados en él, pueden causar cicatrices y una respuesta inmunitaria que sella los electrodos.

El cerebro crea una respuesta inmune a través de microglia, astrocitos y otras proteínas para acordonar los electrodos. De esta forma, la calidad de la señal se degrada, lo que hice que el implante sea inutilizable.

Los movimientos naturales del cerebro, provocados por el movimiento, los latidos del corazón y la respiración, significan que los electrodos implantados se mueven también, eventualmente deslizándose fuera de los nodos a los que están destinados.

El dispositivo pretende sortear este problema utilizando una aguja pequeña pero rígida que inserta los «hilos» de electrodos flexibles, a base de polímeros -cada uno a una décima parte del ancho de un cabello humano- en la corteza, teniendo cuidado de evitar venas o arterias.

Respuesta Inmunitaria

Las respuestas inmunitarias por parte del organismo pueden recubrir esos electrodos con células gliales, una respuesta defensiva por parte del cerebro que los haría inoperantes.

Regulación

Con una financiación de 158 millones de dólares – 100 millones de dólares de Musk – Neuralink tendrá lujos con los que los académicos y las empresas con menos fondos sólo pueden soñar con ello.

Aun así, no todos los procesos por los que deben pasar pueden ser acelerados.

«Por mucho que crea que con el tipo correcto de recursos, realmente pueden impulsar la ingeniería a un ritmo increíblemente acelerado. Los procesos biológicos y la aprobación regulatoria… van a ser más difíciles para ellos».

Jacob Robinson, neuroingeniero de la Universidad de Rice

Conclusiones

Neuralink ha elegido lo mejor de la tecnología solo existente en laboratorios, y la ha impulsado consiguiendo avances espectaculares. Lo más impresionante es que tiene un producto implantable que va más allá de cualquier técnica del estado del arte.

Para 2020 quieren realizar los primeros implantes en personas con cuadruplejia mediante 4 chips implatados en distintas áreas de la corteza motora y la corteza somatosensorial. Veremos si en el futuro se cumplen sus planes.

Si bien hay empresas como Facebook o Kernel desarrollando interfaces BCI que prometen ser revolucionarias, no creo que lleguen al nivel de innovación que Neuralink demuestra:

  • Un robot neurocirujano que promete ser el avance más revolucionario a la vez que el más crítico.
  • Un chip miniaturizado que resulta ser una auténtica obra de nanoingeniería.
  • Cantidad de desafíos que deben sortear para hacer funcionar correctamente los implantes dentro de la corteza cerebral.

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Referencias

  1. Paralyzed Man Feels Again using a Mind-Controlled Robotic Arm
  2. White paper Elon Musk Neuralink
  3. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity | Nature
  4. Ultraflexible nanoelectronic probes form reliable, glial scar–free neural integration
  5. https://www.technologyreview.com/s/613974/neuralink-whats-new-and-what-isnt-elon-musks-brain-computer-interface/
  6. https://www.wired.com/story/heres-how-elon-musk-plans-to-stitch-a-computer-into-your-brain/
  7. https://www.scientificamerican.com/article/elon-musks-secretive-brain-tech-company-debuts-a-sophisticated-neural-implant1/
  8. Gaussian-process factor analysis for low-dimensional single-trial analysis of neural population activity. – PubMed – NCBI

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