Eugenio y Sujetodeprueba: diciembre 2008

Día 8. Asimov contra la MEG

“... ¿Qué es un sinapsiador?
-Bien, en esencia se trata de un dispositivo para incrementar la capacidad de aprender de un ser humano.
-No me diga. ¿Y funciona?
-Ojalá lo supiéramos. Los detalles básicos son éstos: el sistema nervioso del hombre y de los animales está formado por neuroproteínas, que no son más que moléculas enormes en equilibrio eléctrico muy precario. El menor estímulo excita a una molécula, que a su vez excita a la siguiente, que a su vez repite el proceso hasta que se llega al cerebro. El mismo cerebro es un agrupamiento inmenso de moléculas similares conectadas entre sí en todas las formas posibles. Puesto que hay aproximadamente diez elevado a la vigésima potencia, es decir, un uno seguido de veinte ceros, de tales neuroproteínas en el cerebro, el número de posibles combinaciones es del orden de diez factorial elevado a la vigésima potencia, un número tan impresionante que si todos los electrones y protones del universo fueran universos ellos mismos, y todos los electrones y protones de esos universos volvieran a ser universos, en ese caso todos los electrones y protones de todos los universos así creados seguirían siendo nada comparados con el número del que le hablo… ¿Me comprende?
-Ni una palabra…”

“… en cualquier caso, lo que denominamos impulsos nerviosos es simplemente el desequilibrio electrónico progresivo que se desplaza por los nervios hasta el cerebro y luego desde el cerebro hasta los nervios…”

“…Mientras ese impulso recorre una célula nerviosa, lo hace a velocidad rápida, ya que las neuroproteínas están prácticamente en contacto. Sin embargo, las células nerviosas poseen una extensión limitada, y entre una y la siguiente existe una pequeña separación de tejido no nervioso..”

“…La separación disminuye la fuerza del impulso y aminora la velocidad e su transmisión en una cantidad igual al cuadrado de su anchura… Imagine ahora que pudiera descubrirse algún medio para reducir la constante dieléctrica de esta separación entre células.”

Extractos de “Envejece Conmigo” de Isaac Asimov, Primera versión de lo que posteriormente seria “Un guijarro en el cielo”.

Así que el sinapsiador lo que hace es variar la constante dieléctrica entre neuroproteínas, lo cual aumenta la velocidad a la que se transmiten los impulsos eléctricos. Esto tiene cierto fundamente, ya que la velocidad a la que se propaga una onda electromagnética es:

Variando entonces la constante dieléctrica se puede variar la velocidad a la que se propagan las ondas.

¿Se puede variar la constante dieléctrica?

Según el modelo del dieléctrico formado por dipolos, la constante dieléctrica depende del número de dipolos libres que se pueden orientar en la dirección del campo eléctrico aplicado, N, del momento dipolar de esos dipolos, p, y de la temperatura T.
Como lo que nos interesa es que k sea más pequeña para que así aumente la velocidad de transmisión, tenemos 3 caminos posibles:

Aumentar la temperatura: Los procesos biológicos que tienen lugar dentro del cuerpo humano dependen fuertemente de la temperatura, por lo que un aumento o una disminución de la misma puede llegar a ser mortal.

Disminuir el momento dipolar: El momento dipolar depende de la estructura de las moléculas que formen el dieléctrico, por lo que habría que variar las moléculas que forman parte del sistema nervioso. Lo cual seria muy complejo en un ejemplar adulto, ya que las antiguas moléculas seguirían produciéndose y habría que eliminarlas regularmente.

Disminuir el número de dipolos libres por unida de volumen: Es la opción más factible de todas, ya que se podría dopar el dieléctrico con alguna otra sustancia que siendo inocua para el cuerpo humano, redujese el número de dipolos libres por unidad de volumen.

Aunque no seria fácil de llevar a cabo, la tercera propuesta si parece realizable, así que en un principio el sinapsiador parece factible, aunque ya no seria una máquina tan futurista como antes, simplemente seria un aparato para introducir un una sustancia en los puntos adecuados del cuerpo. (Una especie de jeringuilla).

Sin embargo, aquí no se ha tenido en cuenta que el dieléctrico está colocado entre células nerviosas. Un sistema así funcionaria como un pequeño condensador, y si reducimos la constante dieléctrica, reduciremos a su vez la capacidad de dicho condensador, creando una serie de problemas relacionados.

Pero olvidémonos del resto de inconvenientes que caen dentro de la biología y de los cuales yo no puedo hablar, y supongamos que es posible que una máquina así funcione y que produzca el efecto descrito de acelerar la velocidad a la que se transmiten los impulsos nerviosos permitiendo que una persona “piense más rápido”.

El afortunado conejillo de indias que prueba la máquina en el relato es Joseph Schwartz. El primer efecto secundario del uso de la máquina es que Joseph Schwartz es capaz de aprender un nuevo idioma en poquísimo tiempo, y no sólo eso, sino que es capaz de aprender cualquier tarea que se le enseñe a la primera, y puede ejecutarla de forma perfecta nada más aprenderla.

Hasta aquí se cumpliría a la perfección lo que se le exigía al sinapsiador, pero lo más interesante viene a continuación.

El segundo efecto secundario es que Joseph Schwartz adquiere la capacidad de detectar las ondas electromagnéticas de los cerebros que le rodean, e incluso es capaz de emitir ondas él mismo para controlarlos.

Veamos cuales son las técnicas actuales para medir la actividad cerebral:

-- Resonancia magnética nuclear. RMN/IRM/TRM/NRM/NMRI/fMRI

Funcionamiento: Mediante un intenso campo magnético se alinean los espines atómicos de los átomos que forman el cuerpo. Cuando un átomo varía su espín emite fotones que son registrados por la máquina.
Las versiones más modernas como la functional magnetic resonante image (fMRI) miden el gradiente de concentración de ciertos átomos y utilizan los datos para interpolar el nivel de actividad.

El principal inconveniente de la fMRI es que no mide directamente la actividad cerebral, sino que mide por ejemplo la concentración de oxígeno en una zona del cerebro e infiere el nivel de actividad.

Para más información, incluida una animación de cómo funciona la RMN:
http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri/fullarticle.html

Este otro enlace muestra un divertido juego sobre la RMI y ayuda a saber que requisitos debe cumplir el paciente y que diferencias hay entre la RMI, el TAC y los rayos X:

http://nobelprize.org/educational_games/medicine/mri/

-- Tomografía axial computerizada. TAC

Funcionamiento: Se emite un fino rayo de rayos X que incide sobre el objeto de estudio. Parte de esa luz es absorbida, el resto llega al detector donde se forma una imagen del objeto. Tomando imágenes desde distintos ángulos y combinándolas puede obtenerse una imagen en 3D del objeto de estudio.

El principal inconveniente del TAC es que sólo sirve para determinar la estructura y no el funcionamiento de los órganos que se quieren estudiar. (Puede crear imágenes de órganos que se mueven como el corazón, pero no la actividad eléctrica del cerebro).

-- Tomografía por emisión de positrones. TEP/PET/SPET

Funcionamiento: Se inyecta en el cuerpo una sustancia radiactiva que emite positrones. Dichos positrones se desintegran en fotones que son recogidos con un detector. Analizando la trayectoria de los fotones a través del detector puede hallarse la zona de origen.
La versión más avanzada (Single photon emission computed tomography SPECT) aprovecha el hecho de que cada positrón se desintegra en dos fotones que salen en la misma dirección pero en sentidos opuestos. Registrando a la vez ambos fotones puede determinarse con mayor precisión la zona donde se emitió el positrón.

Al igual que la fMRI la SPECT no mide la actividad directa, sino que mide la concentración de la sustancia modificada para ser radiactiva y extrapola a partir de ahí la actividad del órgano en estudio.

-- Diffuse Optical Imaging. DOI / Event Related Optical Signal. EROS

Funcionamiento: El funcionamiento del DOI es parecido al TAC, sólo que se utiliza luz infrarroja, la cual es absorbida por la hemoglobina (el grado de absorción depende de cuanto oxígeno está transportando al hemoglobina). El EROS utiliza cables de fibra óptica para analizar zonas concretas.

El inconveniente de esta técnica es la baja resolución debida a la utilización de luz infrarroja y la gran absorción del resto de tejidos a este tipo de radiación. Al igual que la fMRI y la SPECT el EROS no mide directamente la actividad de un órgano, sino que mide la concentración de ciertas sustancias (oxigeno por ejemplo) e induce a partir de ahí la actividad del órgano.

-- Electroencefalografia. EEG/SEEG

Funcionamiento: Se miden las corrientes eléctricas dentro del cerebro. Para medir dichas corrientes se colocan unos electrodos pegados a la cabeza. Analizando los datos recibidos por los distintos sensores se puede aproximar la zona del cerebro de la que procede la corriente.

El principal problema de la EEG es que no tiene mucha resolución espacial y aunque es muy sensible para las capas externas del cerebro (el córtex), no es capaz de detectar corrientes más internas.

Datos: Cuando se mide con electrodos pegados al cráneo (por encima de la piel), el voltaje que miden los electrodos oscila entre los 10 mV y los 100 mV. Si se utilizan electrodos subdurales, el voltaje es de entre 10mV y 20mV

-- Magnetoencefalografía. MEG

Funcionamiento: Toda corriente eléctrica lleva un campo magnético asociado. La MEG mide los campos magnéticos debidos a las corrientes eléctricas que se crean dentro del cerebro.

El principal inconveniente de la MEG es el ruido que detectan los sensores.

En la gráfica puede verse que incluso el ruido generado por las corrientes eléctricas del corazón es varios órdenes de magnitud superior al campo magnético generado por las corrientes en el cerebro. Por esa razón la MEG debe realizarse en salas especializadas libres de ruido magnético externo.

(Nota: El SQUID es un dispositivo superconductor capaz de medir campos magnéticos muy débiles)

A continuación podemos ver una gráfica resumen de la resolución de los distintos procedimientos:

EEG - Electroencefalograma.

MEG - Magnetoencefalografía.

PET - Tomografía por Emisión de Positrones.

fMRI - Resonancia Magnética Funcional.

SEEG - Estereoencefalografía.

SPECT - Tomografía por Emisión de Fotón Único.

Ahora bien, de todas estas técnicas sólo 2 podrían imitar los poderes de Joseph Schwartz para leer la mente, la EEG y la MEG.

La MEG queda descartada por el ruido. Si Joseph Schwartz pudiera detectar los campos magnéticos creados por el cerebro de otra persona, se vería rodeado de tanto ruido que sería incapaz de distinguir nada.

Nos queda entonces la EEG.

Usar la EEG para leer la mente es algo que se ha utilizado ya en algunas películas de ciencia ficción, como por ejemplo “Brainstorm” (Año 1983, Dirigida por Douglas Trumbull). En dicha película el doctor Brace y la Doctora Reynolds crean una máquina grabadora que puede leer y grabar todas las sensaciones físicas y emocionales del individuo. Además, la máquina puede inducir sensaciones y por tanto una persona puede ver y sentir todo lo que otra persona ha grabado.

Actualmente, hay un proyecto basado en la EEG que está creando un casco parecido al sugerido por la película Brainstorm. El proyecto se llama Emotiv ( http://www.emotiv.com/index.html ). Aunque dista mucho de ser capaz de leer la mente, tan sólo es capaz de identificar ciertos pensamientos asociados con el movimiento.