miércoles, 3 de febrero de 2016

Decodificando la mente

"Tradicionalmente los científicos han examinado las neuronas individuales, nuestro estudio da una visión más global, a nivel de grandes redes de neuronas, de cómo una persona que está despierta y presta atención percibe un objeto visual complejo." (Rajesh P. N. Rao)

A finales del año pasado ocurrió un hito en neurociencia del cual los medios de comunicación no se han hecho el debido eco. En concreto, un equipo multidisciplinario de participantes de muy diversas universidades estadounidenses (además de otros miembros de centros públicos como la NASA), ¡consiguieron literalmente decodificar  parte de la información contenida en los impulsos eléctricos que recibían desde varios electrodos implantados en pacientes voluntarios!

Llegué a este trabajo que os comento gracias a que soy un fiel seguidor del trabajo de Rajesh P. N. Rao, un neurocientífico computacional de renombre que formó parte del equipo de desarrollo de este experimento. El paper original se puede leer de forma gratuita desde este enlace: http://www.ploscompbiol.org/article/fetchObject.action?uri=info:doi/10.1371/journal.pcbi.1004660&representation=PDF y su título es el siguiente: "Spontaneous Decoding of the Timing and Content of Human Object Perception from Cortical Surface Recordings Reveals Complementary Information in the EventRelated Potential and Broadband Spectral Change".

¿En qué consistió el experimento?

El desarrollo técnico es un poco complejo y no voy a entrar en mucho detalle por aquí (aunque tenéis el paper para saber más), por lo que voy a limitarme a divulgar qué es concretamente lo que este equipo de investigación ha hecho de un modo que se pueda entender con claridad:

Comenzaron implantando mediante cirugía varios electrodos dentro de ciertas zonas concretas del cerebro de 7 sujetos voluntarios (los cuales iban a ser operados de todas maneras por otros motivos), de modo que pudieron ir recopilando mediante diversas técnicas los datos eléctricos que esos electrodos recogía.

Una vez implantado los electrodos (de 4 mm de diámetro) en los lóbulos temporales, se comenzó una serie de 3 rondas en las que se le mostraban a estas personas imágenes de cientos de rostros (de caras) y de cientos de casas (imágenes que el paciente no había visto antes). Cada 400 milisegundos la figura que se le mostraba cambiaba por otra imagen aleatoria hasta llegar a las 100 imágenes (por tres series = 300 imágenes).

Durante todo ese tiempo en que se le hacía el pase de imágenes de diferentes objetos al individuo, se iban almacenando digitalmente los valores eléctricos que los diversos electrodos implantados sentían en cada momento del experimento. De este modo consiguieron una base de datos de los valores eléctricos registrados por los 7 participantes durante el pase de las 300 imágenes mostradas. Esa base de datos, por cierto, la han hecho pública y la podéis descargar vosotros mismos desde este enlace: https://purl.stanford.edu/xd109qh3109 (junto con el algoritmo de Matlab desarrollado para la decodificación de las propias señales).

Y ahora viene lo interesante. Una vez con este enorme conjunto de datos, el equipo de investigación se propuso demostrar si esos impulsos eléctricos registrados por los electrodos contenían suficiente información (o incluso alguna información) correlacionada con el estímulo concreto presentado al paciente (y percibido por éste) en cada instante. Es decir; había que estudiar si todos esos datos contenían algún tipo de información oculta detrás de algún patrón de codificación neuronal no conocido a priori.

Estudio de los datos.

Hay que tener en cuenta, que lo que los electrodos recopilan es simplemente un valor escalar que representa el voltaje aproximado que hay en sus proximidades en cada momento, lo cual nos permite en un primer momento simplemente formar gráficas de voltaje por unidad de tiempo de este estilo:


En esta imagen se puede ver, por ejemplo; los valores registrados por cuatro electrodos durante la exposición de 400ms a un imagen conteniendo un objeto determinado (una casa, una cara, etc.). En concreto, la línea rosa representa los valores de voltaje recogidos cuando el objeto del estímulo contuvo la imagen de una casa, mientras que la línea azul representa los valores eléctricos tomados cuando el estímulo fue el de una faz. Estos valores no son siempre los mismos (la gráfica no es siempre igual aunque se presente de nuevo una casa o una cara), por lo que había que descubrir si detrás de todos esos datos había un patrón oculto utilizado por el cerebro a modo de codificación. Y puestos a que fuera ese el caso, se propuso intentar decodificar el mensaje eléctrico para poder prever el objeto de la percepción de un individuo de un modo continuo y sincronizado: es decir; que se pretendía encontrar un algoritmo capaz de decodificar en tiempo real los impulsos que llegaban desde los electrodos del cerebro para poder "adivinar" (sin ninguna otra información), qué tipo o clase de objeto era el que estaba percibiendo el paciente (el cual se encontraba incomunicado del experimentador).

El proceso de decodificación.

Con este fin en  mente, se desarrolló un algoritmo utilizando técnicas de computación mediante aprendizaje automático ("Machine learning"), haciendo uso concretamente de una técnica estadística que se conoce como LDA ("Fisher linear discriminant analysis"). Para lograrlo, dividieron la enrome muestra de datos en 3 partes, y asignaron dos partes al proceso de entrenamiento del modelo ("training"), dejando la parte restante para las pruebas de fidelidad del clasificador ("testing"). Como ya he dicho, este algoritmo escrito en Matlab (junto con los datos recogidos del voltaje de los electrodos), lo han hecho público y lo podéis descargar desde aquí.

Resultados.

Siguiendo este procedimiento, y gracias al algoritmo desarrollado con estas técnicas computacionales de inteligencia artificial, se consiguió detectar ciertos patrones clasificadores detrás de toda esa información eléctrica, lo cual ha permitió el enorme logró que supone el hecho de poder, literalmente, decodificar la suficiente información transportada por estos impulsos neuronales conjuntos como para poder prever (clasificar) en tiempo real lo que los sujetos van percibiendo con una precisión superior al 96% de aciertos.

Es decir; que únicamente a partir del estado eléctrico del cerebro en cierto momento, se pudo detectar (sin ninguna otra información por parte del sujeto) el contenido visual abstracto que el paciente estaba percibiendo en cada momento. Todo esto sugiere que el hecho de que de que un sujeto perciba un tipo de objeto u otro (y lo relacione con un concepto abstracto concreto: "veo una casa, o veo una cara"), se refleja principalmente en un patrón eléctrico determinado el cual codifica dicha información, demostrándose de este modo que cualquier información abstracta del ser humano se puede reducir, en principio, exclusivamente a un estado físico-químico (eléctrico) del cerebro.

Por cierto, que toda esta compleja codificación habría sido evolutiva y gradualmente ajustada por un largo proceso de selección natural actuando sobre la estructura material del cerebro.

Futuros desarrollos.

Esta técnica desarrollada, y que está dando sus primeros pasos, es realmente un trampolín hacía un futuro mapeo cerebral completo, lo cual podrá utilizarse para identificar en tiempo real qué lugares del cerebro son sensibles a los distintos tipos de información. En otras palabras; una mejora de esta técnica podrá llevar, con toda probabilidad, a que podamos finalmente lograr una decodificación completa del cerebro, pudiéndose prever no sólo estímulos visuales abstractos (casas, caras, etc.), sino también cualquier otro producto de un proceso cognitivo. La metodología sería básicamente la misma: tomar datos de la actividad eléctrica neuronal ante una conducta o estímulo de estudio, y proceder a continuación a decodificar esos datos usando técnicas computacionales ante esas señales eléctricas. Posteriormente, simplemente con medir el estado cerebral de un individuo cualquiera se podría prever cualquier proceso cognitivo que haya detrás de dicho estado eléctrico.

Discusión.

A parte de las grandes utilidades prácticas de este estudio (como la de ayudar a "adivinar" qué piensan los pacientes con grave parálisis motora o que han tenido un derrame cerebral y están completamente bloqueados), hay que resaltar un hecho muy importante: este estudio demuestra que la percepción sensorial y la posterior objetivación abstracta (conceptual) del mundo percibido, es un proceso que se produce exclusivamente de un modo material en la red neuronal evolutiva del cerebro (si no fuese este el caso, este experimento no habría podido tener éxito puesto que basa todas sus premisas en el estudio material -eléctrico- del cerebro).

El acto de percibir estímulos, y el acto de transformar esas percepciones en ideas de objetos o conceptos relacionales, se ha demostrado ser un complejo proceso eléctrico disperso entre la red neuronal del cerebro, el cual literalmente codifica un patrón de voltaje distinto para cada concepto, idea, sensación, etc. Tanto es así, que en este estudio se ha conseguido la decodificación de varios de estos patrones "objetivizadores" que permite a un paciente diferenciar en su mente cuando ve, por ejemplo, una casa cualquiera (no una casa concreta, sino cualquier casa, aunque sea la primera vez que la ve), de cuando ve, por ejemplo, una cara cualquiera (aunque sea la de alguien que ve por primera vez). En otras palabras, el acto de ver y reflexionar sobre un objeto concreto, se traduce en distintos patrones eléctricos que van recorriendo las diferentes partes del cerebro transmitiendo la información de un modo codificado. Y es ese patrón constituido por miles de impulsos eléctricos, que hasta no hace mucho parecían caóticos, los que estamos ya empezando a comprender.

Siguiendo este proceso, llegará un momento en que un algoritmo de este tipo será capaz de detectar cualquier clase de percepción y proceso cognitivo únicamente a partir de la información eléctrica que corre entre las sinapsis de nuestra red de neuronas. Es decir; que bastante pronto (relativamente hablando), se conseguirá decodificar (mapear) el patrón del estado eléctrico completo que origina cualquier acto cognitivo en el hombre.

Se puede decir por tanto, a modo de resumen, que el verdadero hito histórico de este trabajo consiste en ser el primero en demostrar con la suficiente fuerza (con aciertos cercanos al 100% y sincronizado en tiempo real) el hecho de que toda la mente humana puede no ser más que la emergencia ocurrida tras el procesado eléctrico conjunto de cientos de millones de neuronas; las cuales utilizan un complejo conjunto de patrones eléctricos (evolutivamente determinados) para comunicar información entre las distintas zonas cerebrales y posteriormente hacia el exterior (mediante la comunicación verbal, por ejemplo).

Si quedaban pocas esperanzas para algún tipo de dualismo en la explicación de nuestra mente, este estudio acaba de dar al traste con ellas: no sólo se ha visto que no es necesario nada a parte del estado material del conjunto del cerebro, sino que incluso ya vamos siendo capaces de decodificar dicho estado material para prever ciertas propiedades emergentes de la mente. En un futuro no demasiado lejano, literalmente podremos usar el estado eléctrico global de un sujeto para adelantar (sin más información) cualquier idea, pensamiento, estimulo sensible, o proceso cognitivo en general que tenga esa persona.

Referencias.

Kai J. Miller, Gerwin Schalk, Dora Hermes, Jeffrey G. Ojemann, Rajesh P. N. Rao: Spontaneous Decoding of the Timing and Content of Human Object Perception from Cortical Surface Recordings Reveals Complementary Information in the Event-Related Potential and Broadband Spectral ChangePLOS Computational Biology (2016). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004660.

12 comentarios:

Anónimo dijo...

Lo has escrito al revés: la línea azul (la palabra inglesa 'faces') pertenece a las caras. Y la línea rosa (la palabra inglesa 'houses') pertenece a casas.

Samu dijo...

Es cierto, ya está corregido. Gracias por avisar :).

Un saludo.

Anónimo dijo...

A mí el dualismo me parece difícil de sostener, pero en cierto sentido algo de verdad debe de tener, y hay que dar cuenta de ese “algo de verdad” desde la postura monista que se adopte. Es decir, siempre es necesario saber dar respuesta a porque parece que el dualismo puede ser cierto. Yo sobre estos temas de la relación entre mente y cuerpo me apunto al monismo emergentista, que para mi sorpresa veo que tal vez coincide con su posición (por comentarios anteriores hubiese jurado que lo suyo era el monismo eliminativista con fuerte raigambre fisicalista-materialista), pero la única postura que me atrevo a defender en serio es esta: “uff que misterioso es todo esto ! “.

Al margen de mi postura (que poco importa) me vino a la memoria un relato de José Luis Díaz (http://www.joseluisdiaz.org/),es una versión del famoso “El cuarto de Mary” de Frank Jackson; pero más relacionado con los fascinantes experimentos "interface cerebro-computador" como el que nos trae a colación en esta entrada del blog usted.

Es un cuentecillo de 6 páginas que de pronto, digo, me vino a la memoria al ir leyendo su entrada, y como es breve, pensé que tal vez también le interesaría a usted y sus lectores del blog leerlo en un plis plas; la verdad es que da que pensar:
http://ludus-vitalis.org/html/textos/debates/Diaz__El_dolor_de_Maria.pdf

También se desarrolló un pequeño debate sobre tal cuento en la revista ludus vitales, por si después de leerlo sigue interesando:

http://ludus-vitalis.org/html/debates/dolor.html

Un saludo.

(nota: sigo sin entender lo de que somos SOLO una máquina termodinámica igual que un manzano lo es, a pesar de las referencias que ponía. Y no sólo eso, sino que no sé qué tienen que ver esas referencias con ello, que tiene que ver el hecho que el cerebro sea el creador de la realidad en la que creemos estar y tal con eso, … pero me temo que es una limitación intelectual mía propia de la edad. Agradezco su paciencia y disposición con mis torpes comentarios)

Samu dijo...

Gracias por las referencias, Enric.

En cuanto saque un ratito le prometo que las leeré.

Un abrazo!!

Unknown dijo...

Muy buena entrada. Gracias por la reflexión, tanto en la entrada como en los comentarios.

Samu dijo...

Gracias a ti por comentar, Javier.

Un saludo!!

Samu dijo...

Pego aquí una réplica mía a un comentario de un participante de otro blog donde me han publicado este trabajo:

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Hola, Santiago.

Dices: "lo realmente importante es saber cómo diablos esa electricidad organizada genera la imagen mental de una casa en mi cabeza."

¿Sabes cómo se genera? Simplemente mediante una decodificación natural interna -similar a la que consiguen estos investigadores con técnicas de computación-. Distintas partes del cerebro reciben estos impulsos que parecen caóticos pero que ahora sabemos que contienen patrones ocultos con toda la información necesaria para alcanzar la "objetivación" de alguna parte del mundo, y; literalmente, decodifican la información, la procesan de nuevo según la zona neuronal de que se trate, y la transmiten a otras zonas que lo requieran. Llegado un momento (si se da el caso), se conseguirá transmitir toda esta información procesada hacia el exterior, activando los nervios necesarios para que las cuerdas vocales (por ejemplo) efectúen el sonido del habla.

No parece necesario nada más para explicar que nuestras capacidades cognitivas tengan lugar (todas ellas); y, en caso de que aún así se defienda algún tipo de dualismo, habrá que explicar cómo es posible que este experimento exclusivamente material consiga "adivinar" únicamente mediante los impulsos eléctricos qué tipo de objeto está percibiendo una persona.

Un saludo.

Samu dijo...

Para ponerlo un poco más claro: la imagen original ("real") del mundo en nuestra cabeza no es muy diferente de la imagen que puede formar una cámara fotográfica que convierte la información externa en un patrón digital. En nuestro caso, es el patrón generado por la retina y el nervio óptico a partir de los fotones recibidos el que codifica la "imagen previa" del mundo; lo que ocurre es que luego una serie de circuitos neuronales separa y "objetiviza" el contenido de esa imagen original, produciendo nuevos patrones eléctricos independientes (como los detectados por estos investigadores). Esos nuevos patrones eléctricos (que contienen por sí solos suficiente información como para clasificar objetos) se transmiten luego a otras zonas neuronales que trabajan con ellos (mediante su decodificación y reutilización) para generar nuevos patrones procesados, y finalmente (haciendo en gran parte uso de los registros neuronales de la memoria), se acaba produciendo una "reflexión" global sobre una parte concreta de esa "imagen" original, de modo que terminas pensando: "estoy percibiendo una casa". No hay más misterio a parte de los detalles que queden por descubrir, pero todo apunta a que de dualismo nada de nada: trillones de impulsos eléctricos procesados en paralelo siguiendo codificaciones evolutivas y poco más.

Un saludo.

Samu dijo...

Santiago me replica:
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Samu:

No estoy defendiendo ningún tipo de dualismo (Dios me libre), solo indico que este experimento (y tantos otros anteriores) no consiguen ni refutar el dualismo ni asegurar plenamente el materialismo (si bien es una buena razón a su favor). Que el cerebro codifique señales exteriores es algo maravilloso, pero insuficiente para una explicación completa del estado mental.

La mera decodificación es una explicación netamente incompleta. Yo, ahora mismo cierro los ojos y me imagino a mi abuela. Puede explicarse toda la "construcción" de la imagen mental de mi abuela como un patrón de pulsos eléctricos... NO. Como he dicho muchas veces: que sepamos la electricidad solo da calambre. Repito: tenemos algo, pero nos falta una parte importantísima de la explicación.

Samu dijo...

A lo que yo le respondo:

"Puede explicarse toda la "construcción" de la imagen mental de mi abuela como un patrón de pulsos eléctricos... NO."

¿¿Por qué no?? ¡Claro que sí! De hecho, un experimento como este que han hecho podría adivinar en el futuro simplemente a partir de tus impulsos eléctricos (y sin nada más) si piensas en tu abuela o en tu tía en un momento determinado (e incluso en tiempo real).

"Repito: tenemos algo, pero nos falta una parte importantísima de la explicación."

Nos faltan los detalles concretos, pero tenemos la base muy bien asentada...y todo parece indicar (desde campos de estudio multidisciplinarios) que esta base es exclusivamente material con una seguridad casi del 100%.

Ten en cuenta, para aclara lo de tu abuela, que esa imagen mental que dices que te haces; no es más que la recuperación activa (y posterior procesado) de cierta información eléctrica almacenada previamente en cierta parte de tu zona neuronal (la memoria).

Es decir; que ves primero originariamente a tu abuela mediante la codificando de la información externa de los fotones del mundo golpeando tu retina, siendo que una vez que la ristra de impulsos eléctricos recorren el nervio óptico se procesan luego para "objetivizar" una parte de la imagen (tu abuela), y posteriormente es esa información procesada la que se almacena en alguna pequeña subred neuronal que literalmente guarda esa información visual original procesada y "objetivizada" (memoria). Posteriormente, cuando quieres crearte la imagen mental de tu abuela con los ojos cerrados, simplemente buscas (inconscientemente mediante algún heurístico) el registro con la información visual de tu abuela previamente almacenada, la recuperas y la introduces (siempre inconscientemente) en el proceso cognitivo neuronal global de un modo parecido al que ocurre con la información original de la retina post-procesada. Es decir; que impresiones e ideas (como diría Hume :P), son la misma cosa, sólo que la segunda es más débil por el modo imperfecto en que se guarda (y/o recupera) la información almacenada de la percepción original.

Evidentemente aún quedan muchos detalles que descubrir y clarificar, pero SÍ, la construcción de la imagen mental de tu abuela puede ser tranquilamente (y de hecho casi seguro que lo es) simplemente una ristra de impulsos eléctricos codificados.

Un saludo!!

Samu dijo...

Me replica de nuevo Santiago:
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Samu:

Gracias.

Pero no. Reitero: un impulso (o muchos) de electricidad no es más que un flujo de electrones. La utilizamos para encender bombillas, mover bobinas o hacer funcionar infinidad de mecanismos electrónicos... Pero vaya, ahora descubro que la electricidad tiene la propiedad de generar emociones, sensaciones, recuerdos y consciencia...

Es lo mismo que cuando escucho decir que ciertas emociones no son más que moléculas de, por ejemplo, dopamina fluyendo en las sinapsis. Ok. Ahora dime tú cómo una molécula (o mil) de dopamina causa que yo me sienta de una determinada manera. Tiene que existir un proceso en el que la dopamina intervenga que lleve a sentir algo, pero el sentimiento no puede ser, por puro y duro sentido común, un microscópico conjunto de átomos flotando... Esos átomos tendrán que hacer algo... de algún modo, que lleve a sentir.

Y reitero de nuevo: la intercomunicación eléctrica y química entre neuronas tiene que tener una importancia fundamental en la génesis de nuestra mente, pero solo puede ser una parte. Queda muchísimo, muchíiiiiiisimo por saber del funcionamiento del cerebro.

Samu dijo...

A lo que yo le replico:
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"ahora descubro que la electricidad tiene la propiedad de generar emociones, sensaciones, recuerdos y consciencia... "

Es que emoción, sensación, recuerdo, etc. no son más que ideas y pensamientos; y ya te digo yo que éstos sí pueden aparecer simplemente tras un procesado de información mediante impulsos eléctricos (en el experimento de la entrada, se ve como la idea de casa se transmite mediante un determinado patrón eléctrico sin problemas). El problema con tu propuesta es que presupones la existencia de algo "real" llamado emoción o sensación, pero ese no es el caso: lo real son los fotones, electrones, etc., y esas ideas que todos tenemos de recuerdos, imaginaciones y emociones son meros productos emergentes sin realidad física en sí mismas. No existe en el mundo la emoción, sino una determinada respuesta (o salida) ante unos estímulos eléctricos procesados de una determinada manera (en paralelo y por trillones de sinapsis).

"Tiene que existir un proceso en el que la dopamina intervenga que lleve a sentir algo, pero el sentimiento no puede ser, por puro y duro sentido común, un microscópico conjunto de átomos flotando"

Te repito lo mismo. La dopamina es lo real, es lo que modifica el ambiente químico, el cual modifica a su vez el modo en que las sinapsis se interconectan y comparten el flujo eléctrico. El hecho de que la dopamina afecte a nuestras emociones es incluso una prueba a favor de que nuestras emociones no son más que el producto del procesamiento de impulsos eléctricos en una determinada secuencia: si la secuencia se altera (inhibiendo o excitando ciertas conexiones sinápticas), el procesado varía, y con él nuestras sensaciones y emociones emergentes (es decir, el output del procesado eléctrico). Otro caso es el LSD, sustancia química (real) capaz de hacernos ver alucinaciones (output o salida emergente alterada de la verdadera realidad sensible).

Tu problema por tanto es que atribuyes realidad física a algo que no lo tiene, y claro, el sentido común se te rebela, pero en mi opinión es un error pensar así.

Por cierto, dices: "un impulso (o muchos) de electricidad no es más que un flujo de electrones. La utilizamos para encender bombillas, mover bobinas o hacer funcionar infinidad de mecanismos electrónicos"

Y quiero recalcar que se trata de un flujo de electrones sí, ¡pero procesados en el tiempo por las secuencias adecuadas! El arte de la computación se basa en eso precisamente: en como un flujo de electrones, cuando se tratan debidamente, producen salidas procesadas impresionantes: baste ver el ordenador de nuestra casa, el cual en realidad funciona "simplemente" con un flujo de electrones de entrada y ¡mira lo que es capaz de conseguir como salida!

En el caso del cerebro, es algo ya superdemostrado, que existe una cierta equivalencia en el modo de procesar muy cercana a la de un ordenador digital (en el caso de las neuronas, existe un umbral de voltaje que "simula" este procesamiento digital de ceros y unos al producirse un potencial de acción sólo si se alcanza este umbral). Por lo tanto, nuestro cerebro, al igual que nuestros computadores, son "aparatos" encargados de procesar flujos eléctricos para que estos electrones sirvan para mucho más que para encender bombillas: y esta "magia" del procesamiento digital de nuestros ordenadores, la naturaleza evolutiva la ha multiplicado exponencialmente mediante un procesamiento en paralelo (y no sólo secuencial) de trillones de interconexiones (y no de millones como en nuestros procesadores), y haciendo uso intensivo del mejor método de clasificación conocido: las redes neuronales (redes neuronales que, por cierto, al simularse en la moderna inteligencia artificial consigue resultados asombrosos incluso a la pequeña escala con la que trabajan nuestras computadoras).

En fin.

Un saludo, amigo.

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