27 de julio de 2008

Tendencias emergentes: de Pavlov-Skinner al BCI

Pavlov y SkinnerA mediados de la década de 1990 en la Universidad de Duke, el neurólogo brasileño Miguel Nicolelis y el psicólogo norteamericano John Chapin iniciaron un experimento conductista con el objetivo de aprender a “leer los pensamientos” de un animal. Entrenaron a una rata para que pulsara una palanca conectada electrónicamente a un mecanismo liberador de agua. Cada vez que la rata pulsaba la palanca el mecanismo dejaba salir una gota de agua para que el animal bebiera. Hasta aquí nada del otro mundo.

A principios de siglo XX el fisiólogo y premio Nobel ruso Iván Petróvich Pavlov (1849-1936), abrió el camino a los reflejos condicionados (condicionamiento clásico) y a mediados del siglo XX el psicólogo conductista norteamericano Burrhus Frederic Skinner (1904-1990) nos enseño la potencialidad del reforzamiento positivo en el aprendizaje (condicionamiento instrumental).

¿Quién no recuerda el famoso experimento del perro de Pavlov?. Suena una campana y se da de comer a un perro. Tras varias repeticiones el perro asocia el sonido de la campana con la comida y comienza a segregar saliva tras el sonido de la campana y antes de que aparezca la comida.

Experimento de Pavlov
¿Quién no recuerda los famosos experimentos con ratas y palomas del autor de la futurista “Walden Dos”?. Una rata encerrada en una caja tiene una palanca que al accionarla le cae comida por una trampilla que se abre. Al principio la rata no establece ninguna relación causa-efecto entre accionar la palanca y la aparición de la comida. Tras varias repeticiones la asociación accionar palanca-comida queda firmemente establecida y la rata acciona la palanca cada vez que desea comer. Otras variantes del experimento de Skinner permitían a la rata evitar una corriente eléctrica con el mismo principio de aprendizaje.

Experimento de Skinner
El experimento de Nicolelis y Chapin parte de los mismos conceptos desarrollados anteriormente para elevarlos a una dimensión desconocida en tiempos de Pavlov y Skinner. Si tanto para Pavlov como para Skinner era necesaria una conducta (salivar o pulsar una palanca) para obtener algo a cambio (comida), el experimento de Nicolelis y Chapin debería figurar a la misma altura paradigmática que los de Pavlov y Skinner porque consiguieron romper con el requisito de la realización y observación de una actividad para identificar una conducta o para obtener una recompensa. Y más recientemente, han conseguido que ni siquiera sea necesaria la recompensa entendida a la vieja usanza (agua, comida) como algo físico, tangible. Entramos de lleno en la “virtualización de la conducta”. Es un “universo Matrix” al alcance de la mano y con un abanico enorme de aplicaciones.

Es un experimento crucial que sin embargo no ha tenido la repercusión pública que se merece. Vayamos pues a conocer los detalles de este importante experimento que abrió las puertas al desarrollo del Interfaz Cerebro-Ordenador o Brain-Computer Interface (BCI).

Experimento de Nicolelis-Chapin
Nicolelis y Chapin extirparon una pequeña porción del cráneo a la rata del experimento y le insertaron microelectrodos en la corteza motora que registraban la actividad de 46 neuronas que participaban en la planificación y programación de movimientos, neuronas que en circunstancias normales envían señales por la médula espinal hasta los músculos. Puesto que el objetivo del experimento era registrar “pensamientos”, que son algo complejos, había que medir la actividad eléctrica de las 46 neuronas de forma simultánea. Cada vez que la rata movía la palanca Nicolelis y Chapin registraban la emisión eléctrica de sus 46 neuronas de programación motora y enviaban sus señales a un pequeño ordenador. Pronto se “reconoció el patrón” de emisión eléctrica que hacían las neuronas al pulsar la rata la palanca.

Después de que el roedor se hubiera acostumbrado a pulsar la palanca, Nicolelis y Chapin desconectaron ésta del mecanismo de agua. Ahora, cuando la rata pulsaba la palanca no salía agua. La rata, frustrada insistió en pulsar la palanca varias veces sin éxito. A continuación los investigadores conectaron el mecanismo del agua al ordenador que a su vez estaba conectado a las neuronas de la corteza motora de la rata. En teoría, ahora, cada vez que la rata tuviera el “pensamiento” de «pulsar la palanca» el ordenador reconocería el patrón de emisión de las neuronas y enviaría una señal al mecanismo para que dejara salir una gota de agua.

Pasadas pocas horas la rata se dio cuenta de que no era necesario tocar la palanca para conseguir agua. Todo lo que tenía que hacer era “imaginar” su pata pulsándola y obtendría agua automáticamente. El experimento fue un éxito y más tarde fue repetido con otras ratas e incluso con monos con tareas algo más complejas.

Nicolelis y Chapin confiaban en que sus experimentos ayudaran a pacientes víctimas de distintas clases de parálisis y eso ocurrió por primera vez en el mes de julio de 2004, cuando un equipo dirigido por el Dr. John Donoghue de la Universidad de Brown y fundador de Cyberkinetics, empleó una técnica similar con un ser humano. Matthew Nagle, un joven de 25 años había sido apuñalado en el cuello y la lesión medular le había paralizado las cuatro extremidades y que falleció hace un año por estas fechas. Se le implantó en el cerebro un dispositivo denominado BrainGate con 96 electrodos en la corteza motora y conectado a un ordenador. Tras cuatro días de práctica Mathew fue capaz de mover un cursor de ordenador por una pantalla, abrir un correo electrónico, ajustar el volumen del televisor, jugar en el ordenador y controlar un brazo robótico usando el pensamiento. El objetivo último de estas investigaciones es implantar una serie de microelectrodos, con baterías y un ordenador del tamaño de una uña en la corteza motora. Este pequeño ordenador se conectaría a un brazo robótico, bien a una silla de ruedas eléctrica, bien a otros electrodos implantados en músculos para hacer moverse a estos.

Matthew Nagle
Algunos científicos confían en desarrollar una tecnología menos invasiva que los microelectrodos para detectar la emisión neuronal. En ese sentido las investigaciones del científico valenciano Álvaro Pascual-Leone director del Center for Non-invasive Brain Stimulation de la facultad de Medicina de la Universidad de Harvard con los dispositivos TMS (estimulación magnética transcraneal) abren la puerta a que en un futuro muy próximo se pueda aplicar esta tecnología que permitiría, por ejemplo, que un tetrapléjico pudiera dar instrucciones mentales a un brazo robótico o a un ordenador.

No obstante, mientras llega ese momento, una empresa israelí ha diseñado muy recientemente algo más rudimentario pero efectivo: Un exoesqueleto que colocado en las piernas y comandando por un “mando a distancia” mediante una botonera en la muñeca del paciente permite a los parapléjicos poder caminar.



Pero, aún más allá del primer experimento de Nicolelis y Chapin, a principios de este siglo se realizaron otros que permitían transcender el concepto de recompensa entendido al modo en el que lo entendieron Pavlov y Skinner, es decir, la gratificación como un medio físico de “premiar” la actividad del sujeto de la experimentación.

En este experimento se logró convertir una rata en un “robot viviente” manipulando para ello el concepto de la recompensa como algo físico o tangible (agua o comida). En este caso la técnica aplicada permitió por primera vez condicionar los reflejos de una rata, a través de un mecanismo de órdenes y gratificaciones. John Chapin y sus colegas implantaron un total de tres electrodos en el cerebro, dos de ellos para dirigir sus movimientos a derecha e izquierda y un tercero conectado a los centros del placer, que procesan las sensaciones de bienestar.

Las señales enviadas a distancia estimulan los receptores cerebrales que reciben información desde los bigotes de la rata, una de sus zonas más sensibles e implicadas en la dirección del movimiento. Cada vez que la rata toma la decisión correcta, una leve descarga estimula la zona del cerebro encargada de las gratificaciones. El mecanismo de “estímulo-respuesta” dirige al animal a voluntad de los investigadores.

RoboRata
Después de 10 días de entrenamiento, una de las ratas era capaz de moverse a voluntad de los investigadores por cualquier tipo de terreno, llevando a sus espaldas una videocámara fijada mediante un pequeño arnés. La rata, controlada a distancia, podría ser de gran utilidad en la búsqueda de víctimas en una catástrofe, como un terremoto o el derrumbamiento de un edificio. El animal podría ser entrenado para buscar a personas atrapadas entre los escombros, mediante la estimulación de sus zonas cerebrales implicadas en el sentido del olfato, afirman los científicos. Según Chapin, “la rata parece normal y no siente ningún tipo de dolor, porque recibe gratificaciones por hacer las cosas correctamente”.

Me parece que con esta pequeña muestra de experimentos deberíamos comenzar a revisar profundamente los conceptos y paradigmas tanto Pavlovianos como Skinnerianos que han dominado la Psicología de los últimos ochenta años, pues si bien los principios psicológicos son los mismos (condicionamiento clásico o condicionamiento instrumental), la forma de articularlos con el principio de la “observación” difiere notablemente de cuando fueron concebidos. El “universo Matrix” que emerge con estos experimentos nos aproxima a una cada vez mayor “virtualización” de conceptos otrora tan físicos y observables como estímulo, conducta, recompensa y refuerzo.


Para saber más: Ivan Petrovich Pavlov en Wikipedia [castellano]

Burrhus Frederic Skinner en Wikipedia [castellano]

Miguel Nicolelis en Wikipedia [inglés]

Brain-computer interface (BCI) en Wikipedia [inglés]

Matthew Nagle en Wikipedia [inglés]

BrainGate en Wikipedia [inglés]

Center for Non-invasive Brain Stimulation [inglés]

2 comentarios:

JOAKO dijo...

¡Fascinante!
Supongo que habrá que legislar esto muy bien, puiesto que el desrroyo de estas técnicas supondrá un gran avance médico en el tratamiento de las paralisis, pero controlar las capacidades volutivas de un ser humano puede ser muy peligroso mal usado, es decir si no hay voluntad de hacer algo y aún así se hace, debe legislarse la transitividad de las responabilidades.

Marcela Valdeavellano dijo...

Es usted un verdadero hombre del renacimiento en el siglo XXI. Gracias por este blog tan completo, tan generoso con quienes compartimos sus inquietudes y creemos que sólo abandonando el pensamiento lineal como método de acierto/error, podremos acceder a un mundo mejor, múltiple y rico, en el que nadie tenga la razón ni la culpa, sino que juntos podamos construir con la diversidad como bandera.