Red neuronal artificial: múltiples usos

Las redes de neuronas artificiales (denominadas habitualmente como RNA o en inglés como: "ANN") son un paradigma de aprendizaje y procesamiento automático inspirado en la forma en que funciona el sistema nervioso de los animales. Se trata de un sistema de interconexión de neuronas que colaboran entre sí para producir un estímulo de salida. En inteligencia artificial es frecuente referirse a ellas como redes de neuronas o redes neuronales.

Los primeros modelos de redes neuronales datan de 1943 por los neurólogos McCulloch y Pitts. Años más tarde, en 1949, Donald Hebb desarrolló sus ideas sobre el aprendizaje neuronal, quedando reflejado en la "regla de Hebb". En 1958, Rosemblatt desarrolló el perceptrón simple, y en 1960, Widrow y Hoff desarrollaron el ADALINE, que fue la primera aplicación industrial real. En los años 80, volvieron a resurgir las RNA gracias al desarrollo de la red de Hopfield, y en especial, al algoritmo de aprendizaje de retropropagación ideado por Rumelhart y McLellan en 1986 que fue aplicado en el desarrollo de los perceptrones multicapa.

Las ANN son un método de resolver problemas,  de forma individual o combinadas con otros  métodos, para aquellas tareas de clasificación, identificación, diagnóstico, optimización o  predicción en las que el balance datos/conocimiento se inclina hacia los datos y donde,  adicionalmente, puede haber la necesidad de aprendizaje en tiempo de ejecución y de cierta  tolerancia a fallos.  En estos casos las RNAs se adaptan dinámicamente reajustando  constantemente los “pesos” de sus interconexiones.

Por ejemplo en una red que se va a aplicar al diagnóstico de imágenes médicas; durante la fase de entrenamiento el sistema recibe imágenes de tejidos que se sabe son cancerígenos y tejidos que se sabe son sanos, así como las respectivas clasificaciones de dichas imágenes. Si el entrenamiento es el adecuado, una vez concluido, el sistema podrá recibir imágenes de tejidos no clasificados y obtener su clasificación sano/no sano con un buen grado de seguridad. Las variables de entrada pueden ser desde los puntos individuales de cada imagen hasta un vector de características de las mismas que se puedan incorporar al sistema (por ejemplo, procedencia anatómica del tejido de la imagen o la edad del paciente al que se le extrajo la muestra).

                              

Para informarte más sobre este tema, accede a:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23725313
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23717809
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23705105

El futuro al alcance de la mano

Científicos españoles de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) participan junto a otros de Italia, Alemania y Dinamarca en el proyecto “Ciberhand” o “Cibermano”, uno de los proyectos europeos de investigación robótica más innovadores, que busca crear una prótesis para devolver parte de sus capacidades a personas con mutilaciones a nivel de la mano.

La "Cibermano" combina los últimos avances en neurología, medicina y tecnología para ofrecer a personas con amputaciones parte de la independencia y calidad de vida de las que disfrutaban con anterioridad.

Esta prótesis cibernética permite no sólo tomar objetos, sino también sentirlos y controlar la presión que se ejerce sobre ellos. Hasta ahora, las prótesis existentes no integraban ningún mecanismo para facilitar a sus usuarios el reconocimiento del objeto a través del tacto, por lo que no sentían la dureza o suavidad del mismo o si su superficie estaba seca o mojada.

El uso de la mano cibernética requerirá la implantación en el receptor de un chip en contacto con las fibras nerviosas que conectaban el sistema nervioso con la mano. Este chip se encargaría de interpretar las órdenes del usuario mediante el procesamiento de las señales bioeléctricas de las neuronas y transmitirá con precisión las órdenes del movimiento a la mano artificial. A la vez, la prótesis recogerá datos de contacto, presión y temperatura y los transmitirá al chip para que sean enviados al cerebro a través de las conexiones con los nervios.

La nueva prótesis supone un salto cualitativo respecto a las que actualmente se utilizan, "y se puede convertir en una alternativa muy interesante al transplante", afirma el equipo del proyecto Ciberhand. En su opinión, hoy entre un 30 y un 50 por ciento de las personas amputadas no utilizan las prótesis existentes, "porque ofrecen un control muy pobre de los movimientos, no reciben ninguna sensación y la percepción general es muy poco natural".

Si querés sorprenderte aún más, mirá este video!

Links:

http://axxon.com.ar/not/158/c-1580057.htm

http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=NEWSLINK_ES_C&RCN=35590&ACTION=D

Pancreas artificial: El alivio para el manejo de la Diabetes tipo 1

Prometedor logro de un equipo de especialistas del Instituto de Investigaciones Clínicas de Montreal (IRCM), dirigidos por el endocrinólogo Dr. Remi  Rabasa- Lhoret, puede tener importantes repercusiones en el tratamiento de la Diabetes tipo I, acelerando el desarrollo de un páncreas artificial externo que sea seguro y práctico de usar.

El páncreas artificial es un sistema automatizado que reproduce, hasta cierto punto, el trabajo de un páncreas natural en buen estado, adaptando continuamente la liberación de insulina a los cambios en los niveles de glucosa. El páncreas artificial, con sistema hormonal dual probado en el IRCM controla los niveles de glucosa mediante la liberación automática de insulina y glucagón, si es necesario, sobre la base de la lectura de un sistema de vigilancia constante de glucosa y guiándose por un algoritmo avanzado.

El equipo halló que el páncreas artificial mejoró el control de la glucosa en un 15 por ciento, en comparación con la terapia convencional mediante bomba de insulina. El páncreas artificial también redujo en 8 veces el riesgo total de hipoglucemia, y en 20 veces el riesgo de hipoglucemia nocturna.

Las personas con diabetes tipo 1 deben controlar cuidadosamente sus niveles de glucosa en sangre para que se mantengan dentro de los valores normales. El control de la misma, es la clave para evitar complicaciones a largo plazo relacionada con altos niveles de glucosa (como ceguera o insuficiencia renal) y reducir el riesgo de hipoglucemia, siendo estos niveles peligrosamente bajos y potencial causante de confusión y/o desorientación.

Páncreas artificial externo: A la izquierda, dispositivo de vigilancia constante de glucosa. A la derecha, la bomba que está sujeta en el cinturón, inyecta insulina bajo la piel del paciente. El sistema de control es en este caso, un teléfono inteligente.

Ya se está hablando de esta opción en nuestro país, mira este vídeo.

Para más información, podes visitar los sieguientes enlaces:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23602044

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23601378

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23493823

¿Qué te parecería que en un futuro pudieran controlarse a la perfección brazos robóticos mediante un chip cerebral?

John Donoghue y sus colaboradores ya informaron en 2006 de que pacientes con parálisis causada por lesiones medulares podían usar interfaces cerebro-máquina para dirigir el movimiento de cursores en una pantalla y llevar a cabo sencillos movimientos con una mano robótica, abriéndola y cerrándola. Ahora los investigadores han demostrado que una interfaz cerebro-máquina puede dirigir tareas más complicadas.

El implante cerebral es un pequeño sensor de cuatro milímetros de lado con 96 electrodos que salen como pelitos de uno de los lados. El aparato se coloca sobre la superficie del cerebro y los electrodos penetran un milímetro en la zona del córtex motor que controla el brazo. El implante registra los impulsos de decenas de neuronas. La intención de movimiento del paciente genera estos impulsos, que a continuación se transmiten a un ordenador que transforma los patrones de actividad eléctrica en órdenes que controlan un brazo robótico.

El objetivo de este ensayo clínico piloto es desarrollar tecnologías capaces de devolver la capacidad de comunicación y movimiento y dotar de independencia a personas con enfermedades o lesiones neurológicas.


Aplicaciones de los chips cerebrales

Aunque la tecnología aún está lejos de poder usarse medicinalmente y los participantes la usaron bajo condiciones controladas en sus hogares, con un técnico a mano, uno de los autores del informe dijo que el equipo tenía cuatro objetivos:

• Desarrollar sistemas de comunicación permitiendo mover a distancia un cursor en un monitor.

• Mejorar el control neuronal de dispositivos de asistencia robótica para pacientes con parálisis.

• Usar el sistema para permitir que los amputados controlen mentalmente sus prótesis.
• Para que los pacientes paralizados reconecten su cerebro a sus miembros.

                    

              
Para más información sobre este tema, te dejamos este enlace: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23503997

PIERNAS ROBÓTICAS: réplica completa de unas piernas humanas

Las actuales prótesis de miembros inferiores requieren que los amputados realicen un esfuerzo importante al realizar movimientos coordinados de varias articulaciones, llegando a gastar al caminar hasta un 60% más de energía metabólica en comparación con una persona sana. 

Con la esperanza de superar estos obstáculos, Michael Goldfarb, profesor de ingenería mecánica en la Universidad de Vanderbilt, y sus co-investigadores Huseyin Atakan Varol y Frank Sup desarrollaron una prótesis robótica para el miembro inferior que incluyen articulaciones motorizadas de la rodilla y los tobillos.

“Estamos entrando en lo que algunos llaman la era de la biónica…una fase donde el hombre y la máquina se están integrando”, dice Varol.

Gracias a los avances en la tecnología, la prótesis tiene una batería completamente autónoma que puede proporcionar energía equivalente a los músculos y suficiente esfuerzo de torsión para remplazar la función de las articulaciones de la rodilla y el tobillo. Incluso, la batería es recargable y puede durar fácilmente un día entero entre carga y carga. Esto equivale a aproximadamente 13.000 a 14.000 pasos. Esta es una característica valiosa considerando que en promedio las personas sanas caminan entre 7.000 y 12.000 pasos diarios. 

La prótesis tiene sensores que le permiten inferir la acción que el usuario desea realizar, como pasar de una posición sentada a estar de pie. Un sofisticado software, llamado reconocedor de intención, se comporta como un computador que analiza los patrones de movimiento del usuario, como cambiar el peso de un lado a otro o los cambios en los ángulos articulares. Los patrones son después interpretados como acción de propulsión mecánica que ayuda al usuario a pasar de la posición sentada a la posición de pie con menos esfuerzo. Este análisis ocurre en unos cientos de milésimos de segundos y permite que las acciones entre el usuario y la pierna ortopédica sean fácilmente integradas. Aunque el software reconocedor de intención no puede ser 100% preciso, los puestos de control secundarios evitan que el usuario perciba algún error. “La capacidad cognitiva es la clave”, dice Varol. “Es importante que la prótesis entienda lo que el usuario quiere hacer”.

Vista frontal y lateral de las prótesis motorizadas de rodilla y tobillo de Vanderbilt

Aunque la pierna de Vanderbilt es más fuerte y más inteligente que las prótesis actuales, también tiene sus limitaciones. Sus procesadores sólo le permiten responder a actividades predefinidas, como caminar o subir escaleras. La pierna no puede reconocer de manera eficiente aquellas actividades no definidas, como bailar. Esto requeriría una fuente más compleja de entrada de información. En la actualidad, las prótesis de piernas no tienen las conexiones eléctricas hacia el usuario; están unidas con un enchufe y sujetadas por succión. Los investigadores han comenzado a mirar cómo integrar el sistema nervioso con la piernas ortopédicas. Esto implica implantar electrodos en los nervios de la pierna amputada que puedan comunicarse con las articulaciones de la prótesis. La pierna protésica podría entonces responder directamente a los comandos neurales sin pensamiento consciente por parte del usuario. Algunos trabajos se están haciendo con modelos de animales, pero todavía no existen las tecnologías necesarias para la integración neuronal de las prótesis robóticas. 

Equipo de investigación de Goldfarb con la prótesis de pierna (de izquierda a derecha): Huseyin Atakan Varol, Michael Goldfarb, y Frank Sup. 

Links:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20054424

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19846361

En busca de la luz: Chip Ocular y el Ojo Bionico

Se trata de un dispositivo diseñado para personas que tienen un problema de la visión denominado retinitis pigmentaria, y ya ha sido experimentado con éxito y aprobado en Europa. Ahora, Estados Unidos se suma a la lista de países que han incorporado esta innovación.

Su nombre comercial es “Argus II,  Retinal Prosthesis System”, pero la gente lo ha comenzado a llamar “ojo biónico”, ya que,  se trata de una innovación tecnológica capaz de devolverle la visión a las personas que sufren de esta patología.

 La retinitis pigmentaria o pigmentosa se produce cuando se dañan o se rompen las células sensibles a la luz (fotoreceptores) en el ojo que están en la retina, y que permiten ver las luces y las sombras así como distinguir los colores y los detalles de las imágenes.

¿Cómo lo logra?

Esta innovación utiliza una pequeñísima videocámara (chip ocular) y un transmisor unidos a unos lentes especiales y a un procesador de vídeo que transmiten imágenes a una prótesis que tiene un sensor de 60 electrodos, que se coloca dentro del ojo del paciente. Ese sensor reemplaza las células de la retina que están dañadas y transmite las señales al cerebro a través del nervio óptico. Y si bien no devuelve la visión por completo, ayuda a las personas con retinitis pigmentaria a ver imágenes y detectar movimiento, usando el procesador de vídeo para transformar las imágenes captadas por la cámara en señales electrónicas, que se transmiten de manera inalámbrica a la prótesis que ha sido colocada dentro de la retina. 

Las personas que desarrollaron esta innovación comentaron que, entre otras cosas, están trabajando en el software que utiliza este dispositivo para permitirles a las personas implantadas ver imágenes más definidas y a color.

                             Chip ocular y su lente especializado

                             

                                    

                        En este vídeo podes ver todo lo comentado

                

Links relacionados para visitar:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23500412
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23449023

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23366555

Implante coclear ¿Qué es y cómo funciona?

El primer implante biónico exitoso, el coclear, fue creado en Australia por el profesor Graeme Clark hace unos 30 años. Este aparato, que reemplaza la función de la cóclea (o caracol) del oído interno, ha devuelto la audición a miles de personas sordas.

Aunque el implante coclear aún dista de ser perfecto, admite Clark, los esfuerzos por mejorarlo han permitido aprender mucho sobre la transmisión de impulsos eléctricos al tejido nervioso.

El oído biónico es el único dispositivo que permite oír a personas con sordera total. Con él, bebés menores de un año de edad pueden aprender a hablar normalmente.

El dispositivo se compone de dos partes: una interna, que se coloca dentro del cráneo del paciente, y una externa, ubicada fuera de él:

Parte interna: Es la parte que requiere cirugía con anestesia general o, en casos excepcionales, con anestesia local potente. Durante la operación, se colocará el dispositivo transductor con un imán posicionador, haciendo previamente un hueco en el hueso temporal mediante fresado. Del transductor salen dos hilos: el hilo de masa, alojado en interior del músculo temporal, y un segundo hilo con un juego de electrodos, más uno o dos electrodos de referencia según el modelo que será introducido, previa apertura de la ventana oval, en la rampa timpánica de la cóclea.

Parte externa: Es la parte donde se procesa el sonido y que transmite información codificada del sonido ambiental recogido a la parte interna. La parte externa se coloca un mes después de la operación y consta de dos partes claramente diferenciadas:

• Procesador de sonidos: Capta la información sonora del ambiente a través del micrófono y la envía al microprocesador, que es el encargado de seleccionar los sonidos útiles y de codificar la información sonora, para posteriormente enviársela a la bobina. Hoy en día se prefieren procesadores de diseño retroauricular, más cómodo de llevar que el procesador en forma de petaca.
• Bobina: La bobina contiene un imán que, por efecto del campo magnético, la mantiene unida a la parte interna. Esta colabora recogiendo la información codificada del microprocesador y transmitiéndola al transductor por radiofrecuencia que, a su vez, estimulará el nervio auditivo.

Los científicos pretenden mejorar el funcionamiento del oído biónico en lugares ruidosos y la apreciación musical, así como restaurar la audición usando una proteína llamada factor de crecimiento nervioso.

Para ampliar la información visitá los siguientes links: 

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3631813/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3613097/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23507664

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3378545/

En esta primera publicación, queremos hacerle llegar el concepto de Biónica, su aplicación y su gran utilidad. ¿Es realmente un concepto moderno?

La Biónica es una ciencia que estudia el diseño de aparatos o maquinas que funcionan de acuerdo con principios observados en los seres vivos, aplicando soluciones biológicas a la técnica de los sistemas de arquitectura, ingeniería y tecnología moderna.
En realidad, la Biónica ha estado presente en la ciencia desde hace mucho tiempo pero sin referirse a ella como tal. Citaremos como ejemplo a  Leonardo Da Vinci, quien tuvo su inspiración en diversos mecanismos naturales a la hora de crear algunos de sus artefactos, como lo puede ser un rudimentario primer aeroplano, que tiene mucha similitud con las alas de un murciélago.

En la actualidad, la biónica tiene diversos campos de aplicación. En este trabajo enfocaremos su uso en la medicina dado que el principal beneficio de los avances en este ámbito es la salud del ser humano.

La biónica proporciona implantes que intentan imitar la función original de aquella parte del cuerpo a la que sustituyen. Lo que hace unas décadas podría parecer inalcanzable es hoy una realidad. Podemos encontrar por ejemplo nervios, narices, ojos, oídos, brazos y piernas biónicas e incluso tal es el interés que suscita, que existen numerosos proyectos de órganos que verán la luz próximamente como por ejemplo corazones artificiales. Los milagros de la medicina biónica son tangibles hoy día.

Algunos de los dispositivos que ya funcionan con éxito son:

• Procesador de sonidos: Es un implante electrónico situado bajo la piel de la oreja que capta los rumores del exterior y los transmite al cerebro. Estos electrodos hacen las funciones de las células de la cóclea, ubicadas en el nervio auditivo (oído interno) y encargadas de transportar los sonidos al cerebro humano.

• Chip ocular: Los pacientes con ceguera no pueden focalizar la luz recibida por el ojo, que en condiciones normales se realiza por el cristalino en las células fotosensibles de la retina. Un microchip cubierto de miles de receptores es capaz de sustituir esas células retinianas, permitiendo a los ciegos volver a obtener un poco de luz.

• Pierna motorizada: Esta prótesis reproduce los movimientos que lleva a cabo una pierna normal gracias a una "inteligencia artificial" adjunta, que recibe las señales que le envían unos sensores situados en el zapato de la pierna sana. Este implante cuenta con un gran éxito, ya que registra unos resultados francamente naturales, permitiendo incluso hacer ejercicio con normalidad o subir escaleras sin problemas.

Algunos futuros implantes son:

• Electrodos cerebrales: Es un microchip insertado en el cerebro que transmite informaciones a un ordenador que es capaz de controlar los movimientos asociados a una prótesis. De esta forma, se piensa que dentro de algunos años estos circuitos podrán sustituir las zonas deficientes del cerebro de los paralíticos.

• Páncreas artificial: Es un nuevo proyecto que desbancará a la bomba externa de insulina en el reto de la diabetes. Este órgano biónico es un dispositivo implantado en el abdomen y a la vez interconectado con un sensor de glucosa que informa en tiempo real de la dosis que hay que liberar.

• Cibermano: La ciencia piensa en un implante conectado a los nervios del antebrazo, que recibirá las transmisiones nerviosas de estos y a cambio los estimula proporcionando sensaciones táctiles. Dicho implante mantendrá una comunicación por ondas con una prótesis mecánica plagada de sensores electrónicos ubicados en la superficie de un guante que llevará puesto el enfermo.

Pero...¿hasta dónde puede llegar el desarrollo de esta ciencia? Si te queda alguna duda te proponemos ver este video…