Proyectan intercambio de datos entre computadoras y cerebro

Por Hermes Lavallén

Uno de los desarrollos más sorprendentes del equipo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Miami, dirigido por el profesor Sakhrat Khizroev , cree que ha descubierto una forma de usar nanopartículas para «comunicarse» con el cerebro sin cables ni implantes. Usan «una nueva clase de unidades ultrafinas llamadas nanopartículas magnetoeléctricas (MENP)» para penetrar la barrera hematoencefálica.

El director Sakhrat Khizroev es profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Miami y  especialista en nano-medicina. Espera desentrañar los secretos del cerebro humano y poder comunicarse de forma directa usando una máquina.

Aquí sus intereses de investigación:

Sakhrat Khizroev

• Director del Centro FIU de Nanomedicina Personalizada.
• Física e Ingeniería de Nanomagnetismo / Espintrónica con aplicaciones en Medicina y Procesamiento de Información Energéticamente Eficiente
• Ingeniería médica
• Neurociencia celular, Biología del cáncer
• Entrega de fármacos en el cerebro profundo
• Enfermedades neurodegenerativas
• Identificación / tratamiento de virus y bacterias
• Ingeniería inversa del cerebro
• Computación cuántica

Foto: Profesor Sakhrat Khizroev, crédito https://cec.fiu.edu/

“La electricidad es el lenguaje del cerebro y ahora podemos hablarle sin cables ni implantes. Las nanopartículas se pueden usar para estimular regiones del cerebro eléctricamente, abriendo nuevas formas de tratar enfermedades cerebrales. Incluso puede que algún día permita el intercambio rutinario de datos entre las computadoras y el cerebro.”

Un material descubierto en 2004 lo hace posible. Cuando las nanopartículas «magnetoeléctricas» (MENP) son estimuladas por un campo magnético externo, producen un campo eléctrico. Si estas nanopartículas se colocan junto a las neuronas, este campo eléctrico debería permitirles comunicarse.

Para averiguarlo, Sakhrat Khizroev y su equipo insertaron 20 mil millones de estas nanopartículas en el cerebro de ratones. Luego encendieron un campo magnético, apuntándolo al grupo de nanopartículas para inducir un campo eléctrico. Un electroencefalograma mostró que la región rodeada de nanopartículas se encendió, estimulada por este campo eléctrico que se había generado.

“Cuando los MENP están expuestos incluso a un campo magnético de frecuencia extremadamente baja, generan su propio campo eléctrico local a la misma frecuencia”, dice Khizroev. «A su vez, el campo eléctrico puede acoplarse directamente a los circuitos eléctricos de la red neuronal».

Foto: Nano partícula magnetoeléctrica (MENP)

El objetivo de Khizroev es construir un sistema que pueda visualizar la actividad cerebral y apuntar con precisión a los tratamientos médicos al mismo tiempo. Dado que las nanopartículas responden de manera diferente a diferentes frecuencias de campo magnético, se pueden ajustar para liberar fármacos.

“Cuando [se] inyectan en el cerebro, podemos ‘ver’ el cerebro y, si es necesario, podemos liberar una droga específica dentro de una neurona específica a pedido”, dice Khizroev. Su equipo ya ha demostrado que las partículas se pueden utilizar para transportar y liberar fármacos anti-VIH, así como el fármaco contra el cáncer paclitaxel.

Aunque más allá del alcance de la investigación actual, el sistema de nanopartículas de Khizroev puede ofrecer una nueva forma de interactuar con las computadoras. Aún no lo ha probado, pero dice que es posible ejecutarlo al revés, de modo que las nanopartículas produzcan un campo magnético medible en respuesta a los propios campos eléctricos del cerebro. Nuestros estados cerebrales se convertirían entonces en parámetros de entrada para las computadoras, que podrían estimular directamente regiones específicas del cerebro a cambio.

Sin embargo, por ahora, la promesa está en comprender y tratar nuestro cerebro sin los efectos secundarios de los implantes y la optoelectrónica.

“Nuestros cerebros son prácticamente motores eléctricos, y lo que es tan notable sobre los MENP es que entienden no solo el lenguaje de los campos eléctricos sino también el de los campos magnéticos. Una vez que los MEMP están dentro del cerebro y ubicados junto a las neuronas, podemos estimularlos con un campo magnético externo y, a su vez, producen un campo eléctrico con el que podemos hablar, sin tener que usar cables – Sakhrat Khizroev ”.

Para extraer la información en tiempo real, su equipo usaría un casco especial con transductores magnéticos que envían y captan señales. Khizroev afirma que los MENP son la única manera de poder “hablar” con el cerebro y analizar su funcionamiento de forma exacta. Defiende que estas nanopartículas, totalmente seguras según sus palabras, se unirán a “todas y cada una de las neuronas que hay en el cerebro para comunicarse inalámbricamente con una máquina». Si todo va bien, el equipo liderado por Khizroev afirma que el proyecto estará terminado en algo más de tres años.

“Desde la administración de medicamentos dirigidos para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas hasta el intercambio de datos entre la computadora y el cerebro, las implicaciones son enormes. Aprenderemos cómo tratar el Parkinson, el Alzhéimer e incluso la depresión. No solo podría revolucionar el campo de la neurociencia, sino potencialmente podría cambiar muchos otros aspectos de nuestro sistema de atención médica. Asimismo, aprenderemos cómo funciona la arquitectura informática del cerebro. Y, a su vez, dicho conocimiento ayudará a habilitar la computación neuromórfica en la que las computadoras imitan la forma en que funciona el cerebro – Sakhrat Khizroev”.

Esta investigación ha cautivado al Pentágono estadounidense.

EL PROYECTO BRAINSTORMS

Las investigaciones del equipo de Khrizoev han sido lo suficientemente exitosas y relevantes como para llamar la atención de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del Pentágono (Darpa). Concretamente, la Agencia ha financiado al investigador para desarrollar una interfaz inalámbrica cerebro-computadora (usando nanopartículas MENP) que permitiría “una interacción manos libres rápida, efectiva e intuitiva” con sistemas militares por parte de miembros del servicio capacitados. De tener éxito, podrán usar este sistema para interactuar con máquinas mentalmente, como si fueran extensiones de nuestro cuerpo. El proyecto BrainSTORMS se encuentra ahora en su segunda fase y se espera que se complete en 2024.

Sakhrat Khizroev, sobre otros métodos que están encima de la mesa. Su opinión es la siguiente: “Otros proyectos usan instrumentos externos como microelectrodos para intentar solucionar los misterios del cerebro, pero, debido a su complejidad y dificultad para acceder, tales métodos solo pueden llegar hasta cierto punto”. “Hay 80 mil millones de neuronas en el cerebro humano, así que imagine lo difícil que sería conectar 80 mil millones de micro electrodos para acceder a cada una de las neuronas. La única forma de aprovechar de verdad es de forma inalámbrica, a través de la tecnología”, subraya.