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Informe sobre redes neuronales

Resumen: La Neurona. La Red Neuronal. Historia De Redes Neuronales Artificiales. Sistema Experto. Interpretación De La Neurona Por Computadora. Método de transmisión de la información en el cerebro. Compuertas lógicas. Funcionamiento de las sinapsis. Diferencias y similitudes entre el cerebro y una computadora. El futuro. Control de Ordenadores por Señales Neurales. Reseña Histórica. Los Procesos. Aplicaciones. Los implantes que salvan vidas. Retina artificial. Oído artificial. Motrocidad asistida. Minibomba para diabéticos. Mini desfibrilador. Corazón artificial. Descargas eléctricas contra la epilepsia. Vivir sin dolor.(V)
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Autor: Gustavo Luis Pavía

Informe sobre redes neuronales

La Neurona

A finales del siglo 19 se logró una mayor claridad sobre el trabajo delcerebro debido a los trabajos de Ramón y Cajal en España y Sherrington enInglaterra. El primero trabajó en la anatomía de las neuronas y el segundo enlos puntos de conexión de las mismas o sinápsis.

El tejido nervioso es el más diferenciado del organismo y está constituidopor células nerviosas, fibras nerviosas y la neuroglia, que está formada porvarias clases de células. La célula nerviosa se denomina neurona, que es launidad funcional del sistema nervioso. Hay neuronas bipolares, con dosprolongaciones de fibras y multipolares, con numerosas prolongaciones. Puedenser neuronas sensoriales, motoras y de asociación.

Se estima que en cada milímetro del cerebro hay cerca de 50.000 neuronas. La estructura de una neurona se muestra en la figura 1.

El tamaño y la forma de las neuronas es variable, pero con las mismassubdivisiones que muestra la figura. El cuerpo de la neurona o Soma contiene elnúcleo. Se encarga de todas las actividades metabólicas de la neurona y recibela información de otras neuronas vecinas a través de las conexiones sinápticas.

Las dendritas son las conexiones de entrada de la neurona. Por su parte el axónes la "salida" de la neurona y se utiliza para enviar impulsos o señalesa otras células nerviosas. Cuando el axón esta cerca de sus células destinose divide en muchas ramificaciones que forman sinápsis con el soma o axones deotras células. Esta unión puede ser "inhibidora" o"excitadora" según el transmisor que las libere. Cada neurona recibede 10.000 a 100.000 sinápsis y el axón realiza una cantidad de conexionessimilar.

La transmisión de una señal de una célula a otra por medio de la sinápsises un proceso químico. En él se liberan substancias transmisoras en el ladodel emisor de la unión. El efecto es elevar o disminuir el potencial eléctricodentro del cuerpo de la célula receptora. Si su potencial alcanza el umbral seenvía un pulso o potencial de acción por el axón. Se dice, entonces, que la célulase disparó. Este pulso alcanza otras neuronas a través de la distribuciones delos axones.

La Red Neuronal

El sistema de neuronas biológico esta compuesto por neuronas de entrada(censores) conectados a una compleja red de neuronas "calculadoras"(neuronas ocultas), las cuales, a su vez, están conectadas a las neuronas desalidas que controlan, por ejemplo, los músculos. La figura 6 muestra unesquema conceptual. Los censores pueden ser señales de los oídos, ojos, etc.las respuestas de las neuronas de salida activan los músculos correspondientes.En el cerebro hay una gigantesca red de neuronas "calculadoras" uocultas que realizan la computación necesaria. De esta manera similar, una redneuronal artificial debe ser compuesta por censores del tipo mecánico o eléctrico.

Historia De Redes Neuronales Artificiales

En Breve

Los intentos por imitar el funcionamiento del cerebro han seguido la evolucióndel estado de la tecnología. Por ejemplo, al finalizar el siglo 19 se le comparócon la operación de la bomba hidráulica; durante la década de 1920 a 1930 seintento utilizar la teoría de la conmutación telefónica como punto de partidade un sistema de conocimiento similar al del cerebro. Entre 1940 y 1950 loscientíficos comenzaron a pensar seriamente en las redes neuronales utilizandocomo concepto la noción de que las neuronas del cerebro funcionan comointerruptores digitales (on - off) de manera también similar al reciéndesarrollado computador digital. Así nace la idea de "revolución cibernética"que maneja la analogía entre el cerebro y el computador digital.

1943 Teoría de las Redes Neuronales Artificiales

Walter Pitts junto a Bertran Russell y Warren McCulloch intentaron explicarel funcionamiento del cerebro humano, por medio de una red de célulasconectadas entre sí, para experimentar ejecutando operaciones lógicas.Partiendo del menor suceso psíquico (estimado por ellos): el impulso todo/nada,generado por una célula nerviosa.

El bucle "sentidos - cerebro - músculos", mediante laretroalimentación producirían una reacción positiva si los músculos reducenla diferencia entre una condición percibida por los sentidos y un estado físicoimpuesto por el cerebro.

También definieron la memoria como un conjunto de ondas que reverberan en uncircuito cerrado de neuronas.

1949 Conductividad de la sinápsis en las RedesNeuronales.

Seis años después de que McCulloch y Pitts mostraran sus Redes Neuronales,el fisiólogo Donald O. Hebb (de la McGill University) expuso que estas (lasredes neuronales) podían aprender. Su propuesta tenia que ver con laconductividad de la sinápsis, es decir, con las conexiones entre neuronas. Hebbexpuso que la repetida activación de una neurona por otra a través de una sinápsisdeterminada, aumenta su conductividad, y la hacia más propensa a ser activadasucesivamente, induciendo a la formación de un circuito de neuronasestrechamente conectadas entre sí.

1951 Primera Red Neuronal

El extraordinario estudiante de Harvard, Marvin Minsky conoció al científicoBurrhus Frederic Skinner, con el que trabajó algún tiempo ayudándole en eldiseño y creación de máquinas para sus experimentos. Minsky se inspiró enSkinner para gestar su primera idea "oficial" sobre inteligenciaartificial, su Red Neuronal. Por aquel entonces entabló amistad con otrobrillante estudiante, Dean Edmonds, el cual estaba interesado en el estudio deuna nueva ciencia llamada Electrónica.

Durante el verano de 1951, Minsky y Edmonds montaron la primera máquina deredes neuronales, compuesta básicamente de 300 tubos de vacío y un pilotoautomático de un bombardero B-24. Llamaron a su creación "Sharc", setrataba nada menos que de una red de 40 neuronas artificiales que imitaban elcerebro de una rata. Cada neurona hacia el papel de una posición del laberintoy cuando se activaba daba a entender que la "rata" sabia en que puntodel laberinto estaba. Las neuronas que estaban conectadas alrededor de laactivada, hacían la función de alternativas que seguir por el cerebro, laactivación de la siguiente neurona, es decir, la elección entre"derecha" o "izquierda" en este caso estaría dada por lafuerza de sus conexiones con la neurona activada. Por ejemplo, la"rata" completaba bien el recorrido eligiendo a partir de la quintaneurona la opción "izquierda" (que correspondería a la sexta), esentonces cuando las conexiones entre la quinta y sexta se hacen más fuertes(dicha conexión era realizada por el piloto automático), haciendo desde estemomento más propensa esta decisión en un futuro. Pero las técnicasSkinnerianas (que eran las que se habían puesto en funcionamiento en esta redneuronal) no podrían llevar muy lejos a este nuevo engendro, la razón pasaporque esto, en sí, no es inteligencia, pues la red neuronal nunca llegaría atrazar un plan.

Después de su Red Neuronal, Minsky escribió su tesis doctoral acerca deesta, en ella describía "cerebros mucho mayores", exponiendo que sise realizaba este proyecto a gran escala, con miles o millones de neuronas másy con diferentes censores y tipos de retroalimentación… la máquina podríaser capaz de razonar, mas el sabia que la realización de esta Red Neuronal eraimposible y decidió buscar otra forma de crear inteligencia…

Las Redes Neuronales Artificiales

Sistema Experto.

Un método más avanzado para representar el conocimiento, es el sistemaexperto. Típicamente está compuesto por varias clases de informaciónalmacenada: Las reglas If - Then le dicen al sistema como se debereaccionar ante los estados del "mundo". Una regla del sistema expertopuede ser if Y es un hombre, Then Y es mortal. Los hechosdescriben el estado del "mundo". Por ejemplo: Juan es mortal. Por último,una máquina de inferencia relaciona los hechos conocidos con las reglas If -Then y genera una conclusión. En el ejemplo: Juan es mortal. Esta nuevaconclusión se añade a la colección de hechos que se almacena en los medios ópticoso magnéticos del computador digital. De esta forma, un sistema expertosintetiza nuevo conocimiento a partir de su "entendimiento" del mundoque le rodea. De esta forma, un sistema experto es un método de representacióny procesamiento del conocimiento, mucho más rico y poderoso que un simpleprograma de computador. Sin embargo, con respecto a la manera en que opera elcerebro humano, las limitaciones son múltiples. Los problemas planteados en términosdifusos o ambiguos , por ejemplo, son muy complejos de analizar o"conocer" con sistemas de procesamiento simbólico, como los sistemasexpertos o programas de computador.

Interpretación De La Neurona Por Computadora

Una neurona se puede comparar con una caja negra compuesta por variasentradas y una salida. La relación de activación entre la salida y la entrada,o en términos circuitales o de teoría de control, la función de transferenciase encuentra en la ..figura2.

La variable f es la frecuencia de activación o emisión depotenciales y u es la intensidad del estímulo del soma.

La Neurona Artificial

Un circuito eléctrico que realice la sume ponderada de las diferentes señalesque recibe de otras unidades iguales y produzca en la salida un uno o un cerosegún el resultado de la suma con relación al umbral o nivel de disparo,conforma una buena representación de lo que es una neurona artificial. La funciónde transferencia para la activación o disparo de la neurona puede ser de umbrallógico (fig. 4ª) o de limitación dura (fig. 4b) o de función tipo s(fig. 4c). W representa el peso o ponderación de la conexión a través de unaentrada.

La neurona artificial es un dispositivo eléctrico que responde a señales eléctricas.La respuesta la produce el circuito activo o función de transferencia que formaparte del cuerpo de la neurona. Las "dendritas" llevan las señales eléctricasal cuerpo de la misma. Estas señales provienen de censores o son salidas deneuronas vecinas. Las señales por las dendritas pueden ser voltajes positivos onegativos; los voltajes positivos contribuyen a la excitación del cuerpo y losvoltajes negativos contribuyen a inhibir la respuesta de la neurona. (fig. 5).

Entrenamiento.

Cuando el sistema humano de neuronas, los ojos captan un objeto A (figura 7),por ejemplo, algunos de los censores de la visión se activan y envían señalesa las neuronas ocultas. Las neuronas que se disparan con la señal de entradaaumentan el grado de conexión de ellas. Si el mismo objeto A se presenta una yotra vez, la interconexión de neuronas se refuerza y, por lo tanto, elconocimiento del objeto.

Si se le presenta a la red anterior el objeto A modificado (Figura 8) la uniónde las neuronas para el conocimiento de tal objeto, es débil. Las neuronasdeben entrenarse para reconocer el objeto A en esta nueva presentación. Luegode algunas sesiones de entrenamiento, el sistema neuronal es capaz de reconocerel objeto A en todas sus formas. Si el objeto cambia nuevamente la red deneuronas y el conocimiento se actualizan.

Este entrenamiento, repetido para todos los valores de entrada y salida quese quiera, origina una representación interna del objeto en la red, queconsidera todas las irregularidades y generalidades del mismo.

En la figura 9 se presenta el esquema de una neurona artificial durante laetapa de aprendizaje. Una vez establecidos los pesos definitivos de interconexión,la neurona adquiere su forma tradicional.

En la figura 10ª se presenta una red neuronal artificial con dos entradas,tres neuronas ocultas y dos salidas. El estado de no entrenamiento se representapor las resistencias variables que indican los pesos de las conexiones. Despuésde aplicar un algoritmo de entrenamiento y de aplicar repetidamente todas lasparejas de entrada y salida necesarias, la red queda entrenada y con el peso deconexiones definido, fig. 10b.

Método de transmisión de la información en elcerebro

Antes conviene saber que en los primeros tiempos de la informatica a losordenadores se los llamaba calculadoras de cifras electronicas o simplementecalculadoras digitales. Los sistemas digitales trabajan con cifras en códigobinario que se transmiten en formas de impulsos (bits). Los sistemas analógicosprocesan señales continuamente cambiantes, como música o palabra hablada.

Por suerte para nuestro propósito de imitar con un ordenador el cerebro estetambién codifica la información en impulsos digitales. En los humanos lassensaciones se generan digitalmente y se transmiten así a través del sistemanervioso. Con otras palabras cuando la luz se hace más intensa, el sonido masalto o la presión mas fuerte, entonces no es que fluya mas corriente a travésde los nervios, sino que la frecuencia de los impulsos digitales aumenta.

En principio los ordenadores trabajan de manera semejante. Así una sensaciónmas fuerte corresponde en un equipo informático a una cifra más alta (o en unapalabra mas larga). Sin embargo en un ordenador los datos se transmiten siemprea un mismo ritmo; la frecuencia base es inalterable. Por eso las cifras masaltas tardan mas tiempo en ser transmitidas. Como por lo general el ordenador otrabajan en tiempo real, esto no tiene mayor importancia, pero cuando se tratade un procesador en tiempo real, como son los empleados en proceso industrial,hace falta de ampliar él numero de canales de transmisión para que en el mismoespacio de tiempo pueda fluir mayor cantidad de datos.

Compuertas lógicas

Sabemos que los elementos básicos de un ordenador son las compuertas lógicas,en el cerebro también existen aunque no son idénticas a las de un ordenador

En un ordenador las compuertas And, Or etc. tiene una función perfectamentedeterminada e inalterable. En el cerebro también hay elementos de conexiónparecidos, las llamadas sinapsis, donde confluyen en gran numero las fibrasnerviosas.

Funcionamiento de las sinapsis

Cientos de datos fluyen por los nervios hasta cada sinapsis, donde sonprocesados. Una vez analizada y tratada la información esta sale yatransformada por los canales nerviosos.

En los seres vivos no pueden permitirse el lujo de la especialización ya quesi algo se rompe otro elemento debe hacerse cargo de la función. Por eso cadasinapsis es simultáneamente una compuerta Ad, Or, Not etc.

Una sinapsis suma las tensiones de los impulsos entrantes. Cuando sesobrepasa un determinado nivel de tensión; el llamado umbral de indicación;esta se enciende, esto es deja libre el camino para que pasen los impulsos. Siel umbral de indicación de tensión es demasiado bajo, la sinapsis actúa comouna puerta lógica del tipo Or, pues en tal caso pocos impulsos bastan para quetenga lugar la conexión. En cambio cuando el umbral de indicación es alto, lasinapsis actúa como una puerta And, ya que en ese caso hace falta que lleguenla totalidad de los impulsos para que el camino quede libre. También existenconducciones nerviosas que tienen la particularidad de bloquear el paso apenasllegan los impulsos. Entonces la sinapsis hace la función de una compuertainversora. Esto demuestra la flexible del sistema nervioso.

Diferencias entre el cerebro y un ordenador

La diferencia más importante y decisiva el cómo se produce elalmacenamiento de información en el cerebro y en el ordenador.

Ordenador: Los datos se guardan en posiciones de memoria que son seldillasaisladas entre sí. Así cuando se quiere acceder a una posición de memoria seobtiene el dato de esta celdilla. Sin que las posiciones de memoria aldeanas séde por aludidas.

Cerebro: La gestión es totalmente diferente. Cuando buscamos una informaciónno hace falta que sepamos donde se encuentra almacenada y en realidad no lopodemos saber ya que nadie sabe donde guarda hasta hoy en ida el cerebro losdatos.

Pero tampoco es necesario ya que basta con que pensemos en el contenido osignificado de la información para que un mecanismo, cuyo funcionamiento nadieconoce, nos proporcione automáticamente no solo la información deseada sinoque también las informaciones vecinas, es decir, datos que de una u otra manerahacen referencia a lo buscado.

Los expertos han concebido una serie de tecnicismos para que loincomprensible resulte algo más comprensible. Así a nuestro sistema paraalmacenar información se lo llama memoria asociativa. Esta expresión quieredar a entender que los humanos no memorizan los datos direccionandolos enceldillas, sino por asociación de ideas; esto es, interrelacionando contenidos,significados, modelos.

En todo el mundo pero sobre todo en Estados Unidos y Japón, científicosexpertos tratan de dar con la clave de la memoria asociativa. Si se consiguieraconstruir un chip de memoria según el modelo humano, la ciencia daría un pasogigante en la fascinante carrera hacia la inteligencia artificial. Y además elbagaje del saber humano quedaría automáticamente enriquecido.

Un superordenador llamado cerebro

El hombre necesita un sistema de proceso de datos de multiple propocito capazde taratar gran cantidad de informacion muy distinta y en muy poco tiempo y conel mayor sentido practico(pero no necesariamente con exactitud), parainmediatamente poder actuar en concecuencia. Los ordenadores, en cambio, sonaltamente especializados con capacidad para procesar con exactitud informacionmuy concreta(en principio solo numeros) siguiendo unas instrucciones dadas.

El cerebro humano posee mas de diez millones de neuronas las cuales ya estánpresentes en el momento del nacimiento conforme pasa el tiempo se vuelveninactivas, aunque pueden morir masivamente.

Nuestro órgano de pensamiento consume 20 Patios/hora de energía bioquímica,lo que corresponde a una cucharada de azúcar por hora. Los ordenadores domésticosconsumen una cantidad semejante. Las necesidades de oxigeno y alimento es enormeen comparación con el resto del cuerpo humano: casi una quinta parte de toda lasangre fluye por el cerebro para aprovisionar de oxigeno y nutrieres. Lacapacidad total de memoria es dificil de cuantificar, pero se calcula que rondaentre 10ª12 y 10ª14 bits.

La densidad de información de datos de un cerebro todavía no se ha podidosuperar artificialmente y en lo que se refiere a velocidad de transmisión dedatos, a pesar de la lentitud con que transmite cada impulso aislado, tampocoesta en desventaja, gracias a su sistema de proceso en paralelo: la informaciónrecogida por un ojo representa 10ª6 bits por segundo.

Según todos los indicios el cerebro dispone de dos mecanismos dealmacenamiento de datos: la memoria intermedia acepta de cinco a diez unidadesde información, aunque solo las mantiene durante agudos minutos. La memoriadefinitiva guarda las informaciones para toda la vida, lo que no significa quenos podamos acordar siempre de todo. La memoria inmediata trabaja como unaespacie de cinta continua: la información circula rotativamente en forma deimpulsos eléctricos por los registros. El sistema es comparable a la memoriadinámica de un ordenador, en la que la información tiene que ser refrescadacontinuamente para que no se pierda. En cambio, la memoria definitiva pareceasemejare mas bien a las conocidas memorias de celdillas de los ordenadores. Secree que esta memoria funciona gracias a formaciones químicas de las proteínaspresentes en el cerebro humano.

Diferencias entre el cerebro y una computadora

Cerebro

Computadora

  • Sistema de datos de múltiple propósito capaz de tratar gran cantidad de información en poco tiempo pero no nesesariamente con exactitud.
  • Sistemas altamente especializados con capacidad para procesar información muy concreta, siguiendo unas instrucciones dadas.
  • La frecuencia de los impulsos nerviosos puede variar.
  • La frecuencia de transmisión es inalterable y esta dada por el reloj interno de la maquina.
  • Las llamadas sinapsis cumple en el cerebro la función simultánea de varias compuertas (and, or, not etc.)
  • Las compuertas lógicas tienen una función perfectamente determinada e inalterable.
  • La memoria es del tipo asociativo y no se sabe dónde quedara almacenada.
  • La información se guarda en posiciones de memoria de acceso directo por su dirección.
  • Los impulsos fluyen a 30 metros por segundo.
  • En el interior de una computadora los impulsos fluyen a la velocidad de la luz.

Similitudes entre el cerebro y una computadora

  • Ambos codifican la información en impulsos digitales.
  • Tanto el cerebro como la computadora tienen compuertas lógicas.
  • Existen distintos tipos de memoria.
  • Los dos tienen aproximadamente el mismo consumo de energía.

Control de Ordenadores por Señales Neurales

La búsqueda de controlar el ordenador mediante impulsos bio-eléctricos, esuna idea que ha dejado de ser parte de las novelas de ciencia-ficción, paraintegrarse a las filas de temas de estudio e investigación serios.

Hoy en día, estamos un paso más cerca de lograr tales sueños, puesto quela tecnología y la teoría científica, al respecto, son cada vez máscercanos.

Reseña Histórica.

En 1849, Emil Heinrich Du Bois-Reymond, se basaba en la teoría de que elsistema nervioso poseía una naturaleza eléctrica. Detectaba las imperceptiblesdescargas eléctricas provocadas al contraer los músculos del brazo. Utilizóun galvanómetro,un primitivo medidor de tensiones, y cuyo electrodo, constituía de los hilosdel aparato con trozos de papel secante impregnado de solución salina.

Se dio cuenta de que la piel actuaba como un aislante de las señales eléctricas,entonces, no vaciló en abrirse una herida y logró captar señales eléctricasunas treinta veces más intensas.

 

En los 70’, comenzó una carrera hacia el diseño de prótesis mecanizadascapaces de

obedecer a contracciones musculares, y que aun no ha terminado.

Las Herramientas.

Con electrodos de cloruro de plata y amplificadores electrónicos muysensibles, pueden registrarse los débiles impulsos musculares.

Las señales que se captan se denominan "señales electromiográficas oEMG".

Otro sistema deriva de otro fenómeno bio-eléctrico, la diferencia depotencial entre la retina y la córnea. La retina posee la máxima

actividad metabólica del ojo, presentando, así, una tensión (eléctrica)ligeramente negativa con respecto a la córnea. Mediante circuitos electrónicos,puede detectarse las minúsculas variaciones de tensión de esta débil bateríaeléctrica, cuando la persona cambia la orientación de sus ojos. Tales impulsosfueron llamados "señales electrooculográficas o EOG.

En otras técnicas de medición ocular se utilizan, rayos infrarrojos o cámarasde video, pero son sistemas más costosos que el de electrodos.

Por último la utilización de técnicas por electroencefalograma o EEG, loselectrodos se colocan en el cuero cabelludo, captándose las débiles señalesde los potenciales eléctricos que emite el cerebro.

 

Los Procesos.

Hemos visto que hasta ahora, se utiliza, principalmente como sensor paracaptar las señales, al electrodo, que en todos los casos capta diferencias depotencial.

Para que esta información recibida tenga algún sentido, debemos tener ademásun sistema que amplifique esta señal recibida, y así poder estudiarla.

El paso siguiente es un sistema que analice y traduzca dichos datos en unainformación útil. De ello se encarga el hardware y software creado específicamentepara tal fin.

Por último un sistema efector, es decir un sistema que realice una acción apartir de la interpretación de los datos obtenidos.

El caso EMG (electromiográfico): se ha diseñado un equipo que sirve deinterfaz entre el ordenador y las señales eléctricas del cuerpo.

Comienza con la amplificación de las señales EMG, en un factor de 10.000.Otros circuitos lo convierten en un formato digital. Luego de un extensoprocesamiento de dichas señales digitalizadas, el ordenador puede determinarcuando y en que medida se contraen las fibras musculares próximas a loselectrodos, de esta manera, la actividad muscular puede dirigir la operación deun ordenador personal.

 

Lógica difusa o Lógica fuzzy, en informática, forma de lógicautilizada en algunos sistemasexpertos y en otras aplicaciones de inteligenciaartificial, en la que las variables puedentener varios niveles de verdad o falsedad representados por rangos de valoresentre el 1 (verdadero) y el 0 (falso). Con la lógica fuzzy, el resultadode una operación se puede expresar como una probabilidad y no necesariamentecomo una certeza. Por ejemplo, además de los valores verdadero o falso, unresultado puede adoptar valores tales como probablemente verdadero, posiblementeverdadero, posiblemente falso y probablemente falso.

El caso EOG (electrooculográficas): es similar al anterior, comienza poramplificar y digitalizar las tensiones recogidas por 4 electrodos, 2 paramovimientos verticales y 2 para las horizontales. Seguidamente, el sistemaaplica lógica borrosapara discriminar entre el movimiento real delojo y la deriva del electrodo.

El caso EEG (electroencefalográfico): los neurólogos creen que elorigen de las tensiones EEG está en las célulaspiramidales dela corteza cerebral. Cada célula constituye un diminuto dipolo eléctrico, cuyapolaridad depende de que la entrada de la red a la célula sea una inhibición oexcitación. Los electrodos son altamente sensibles, de modo que, puedecolocarse los electrodos sobre la piel y por encima del área que se deseaestudiar.

Seha intentado aislar ciertas señales que el sujeto pueda controlar a suvoluntad. Por desgracia, las señales captadas se resisten al control. Lo que sehace, es medir continuamente una diversidad de señales EEG y eliminar porfiltrado las partes indeseadas. Las diferentes ondas, se caracterizan por lafrecuencia de sus emisiones, hay cinco tipos: ALFA, se crean por accionessencillas; BETA, se las asocia a un estado de alerta; TETHA, se originan portensión emocional, como la frustración; MU, al parecer asociadas con lacorteza motora (disminuyen con el movimiento o la intención de moverse).

 

Casi todas las tentativas de controlar un ordenador por mediciones continuasde EEG se basan en la obtención de ondas ALFA o MU, ya que es posible aprendera cambiar la amplitud de estos dos ritmos mediante un esfuerzo mental apropiadopor ejem. un recuerdo.

Las ondas MU pueden controlarse su amplitud mediante representaciones de lasonrisa, la masticación, la deglución y otras actividades motoras.

El equipo investigador ha preparado un sistema para la detección ráfagas deactividad en ondas ALFA, que pueden provocarse deliberadamente distrayendo laatención.

Un segundo tipo de aparato medidor de ondas cerebrales, por medio de unsistema llamado

de potencial evocado o EP. La señal EP se produce en respuesta a ciertos estímulos,

- tales como un fuerte ruido o un destello de luz -.

Aplicaciones.

Como con toda investigación científica, posee en primer lugar dosorientaciones, la militar y la médica.

En medicina los primeros en beneficiarse son los minusválidos condeficiencias o carencias motrices, quienes además aportan al desarrollo deestas tecnologías, por ser sujetos de prueba. Tanto las tecnologías que usanEMG, como EOG han logrado ampliar las expectativas de estos pacientes, por ej.Con EMG se observó que los impulsos eléctricos procedentes de fibrasmusculares activas, pueden manejar equipos electrónicos, con las señalesgeneradas por los músculos. Con EOG una niña con una grave lesión espinalprobó que podía mover el cursor de la pantalla de computadora a partir deimpulsos generados por sus ojos.

En otro sentido con el EOG permite que un cirujano cambie, moviendo los ojos,el campo visual de una cámara de fibra óptica, y así poder tener las manosocupadas con instrumentos quirúrgicos.

En el campo de las ondas cerebrales han experimentado con esta tecnologíaconectándola con un sintetizador musical.

Erich E. Sutter desarrolló un sistema que permite a los discapacitadosseleccionar palabras o frases de un menú formado por cuadros que destellan enla pantalla de un ordenador. Sosteniendo durante uno o dos segundos la miradafija en el cuadro apropiado, una persona conectada por electrodos cranealespuede transmitir su elección por ordenador, constituyendo un

claro ej.del potencial evocado del cerebro (EP).

En el área militar están experimentando en pilotos de avión con señalesEP, siendo una herramienta útil en el momento de tener manos y pies ocupados.

El Futuro.

Hasta ahora el control de un entorno electrónico o incluso uno electromecánico,(ej. Manejar una silla de ruedas), ha sido utilizando un solo tipo de señal,sea que provenga de un músculo, del ojo o de ondas cerebrales.

También somos nosotros quienes debemos entrenarnos para controlar nuestrosimpulsos y luego poder mover o ejecutar la acción deseada

Quizá el futuro se encuentre en sistemas que sean capaces de traducir muchosy diferentes tipos de señales, y así poder "leer" lo que nosotrosdeseamos hacer, dejando al sistema y no a nosotros, el trabajo de entrenarse.

En cuanto a las aplicaciones quizá se logren versiones comerciales paramanejar entornos informáticos, y así a través de los ordenadores controlar,medios de transporte, electrodomésticos, equipos médicos y militares, el campode aplicación es enorme...

LOS IMPLANTES QUE SALVAN VIDAS

Los futurórologos norteamericanos dicen que dentro de un siglo la medicinaserá capaz no sólo de reemplazar cualquier parte dañada del cuerpo, sino quepodrá sustituir, por medio de un chip implantado en el cerebro ciertos déficitde la inteligencia para que todos los individuos estén a la altura del progresotécnico y científico del conjunto.

La electrónica ayuda a la medicina, se ha aliado con ella y ha inventadoimplantes que podrán parar el mal de Parkinson o la epilepsia, así como órganosartificiales que mejoran el modo de vida. También permitirá una administraciónprecisa de los medicamentos, colocando minibombas en alguna parte del cuerpo queproporcionarán las dosis adecuadas para cada paciente, evitando los efectossecundarios.

El desarrollo de nuevos materiales permitirá la aparición de nuevos órganosartificiales, como por ejemplo falsos músculos realizados con materiales retráctilesu órganos híbridos compuestos, a la vez, por células vivas y chips electrónicos.

RETINA ARTIFICIAL :

El ojo es una especie de burbuja vacía cuya pared interna, la retina, estádotada de fotorreceptores que captan las imágenes y las transforman en señaleseléctricas en dirección al nervio óptico. Si los oftalmólogos perciben,mediante test, algunas respuestas eléctricas, esto significa que el sistemaocular funciona a pesar de las dificultades de visión de los pacientes. Lafinalidad es captar los objetos exteriores con ayuda de una minicámara concontrol de imagen y, después, transplantar esta imagen eléctrica sobre elfondo de la retina. El chip electrónico que captaría toda esa información seríaimplantado en el interior del ojo y conectado con la retina con la ayuda de milelectrodos. Los problemas de miniaturización pueden solventarse, pero los máscomplicados son los relacionados con la fragilidad de la retina. Los intentosrealizados en este sentido son los menos avanzados.

Los córtex, situados en la parte posterior de cada hemisferio cerebral, sonlos responsables de eleborar la información que le proporciona el nervio óptico..

El Instituto de Organos Artificiales de Long Island, junto con la Universidadde Estern de Canadá han logrado implantar en el córtex de algunos pacientesuna diminuta reja de teflón provista de sesenta y cuatro electrodos de platinoconectados a una cámara de video y a un microordenador, que transforma en señalesnuméricas los impulsos analógicos de la cámara. Así, lo que informa la cámarase traduce en impulsos eléctricos que son directamente transmitidos al cerebrodel paciente ciego.

OIDO ARTIFICIAL :

Cada sonido es una vibración mecánica que pasa por el tímpano, y en el oídointerno se convierte en señales eléctricas que son enviadas al nervioauditivo. Esta transformación eléctrica es crucial, ya que el 93 porciento delas sorderas están ligadas a la destrucción del órgano de Corti, que esjustamente el transformador de nuestro oído.

Desde los años cincuenta se sabe que un electrodo implantado en el oídopermite a la persona entender los sonidos, pero la gran dificultad estribaba entranscribir con precisión todos los sonidos del mundo exterior. Según la zonaestimulada, el nervio auditivo entiende un sonido agudo, grave o medio. Lasolución se dio con un dispositivo miniaturizado que convierte los sonidoscaptados por un micrófono en impulsos eléctricos, los cuales son enviados porcables subcutáneos a una antena adosada a la piel, cerca de la oreja. Otraantena casi microscópica, disimulada en la piel del paciente, actúa comoreceptor de señales. La última fase del proceso se completa al activarse unmanojo de electrodos ( de 4 a 16 ) fijados previamente a la cóclea, haciendouna especie de puente sobre la vía sensorial dañada.

La técnica, que es muy segura, tiene sus limitaciones, ya que los impulsoseléctricos sólo pueden ser entendidos y decodificados por una persona quealguna vez haya oído. Un sordo total de nacimiento sería incapaz de"organizar" y entender lo que escucha.

El implante coclear es una microcomputadora que, situada en la parte másprofunda del oído, reemplaza parcialmente al órgano.

MOTROCIDAD ASISTIDA :

  • El profesor israelí Gideon Inbar, decano de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, está investigando con éxito la inteligencia artificial de la locomoción. Consiguió, fijando sensores en la pierna de una voluntaria, fabricar señales nerviosas que pueden ser vueltas a emitir por una computadora activando los músculos atrofiados.
  • La "computadora médica para caminar" de Inbar podría monitorear la pierna constantemente y en consecuencia proporcionar una información ininterrumpida al músculo por medio de miles de señales eléctricas estimulantes. De esta manera , ciertos pacientes inmovilizados podrían movilizarse.
  • Los enfermos parapléjicos y tetrapléjicos podrían beneficiarse con las investigaciones que se están realizando para que, ayudados por bastones, vuelvan a caminar. Los que padecen esta enfermedad están afectados por una lesión en la médula espinal.
  • Una de las soluciones, la más prometedora, es reactivar los músculos situados cerca de la lesión con una corriente eléctrica. El problema es que este método requiere poner los electrodos en cada utilización. La respuesta es implantar, en el interior del cuerpo, una cajita electrónica capaz de enviar a los músculos la corriente de estimulación, ya sea por electrodos situados alrededor de los nervios o de los fascículos (haz de nervios que tienen el mismo origen y destino) representantes de una parte del tronco, o mediante electrodos situados en los músculos. Todavía llevarían bastones para mantener el equilibrio, donde se situarían unos botones que accionarían el dispositivo.
  • Los brazos biónicos ya son una realidad, así también como lo son los huesos y las articulaciones artificiales. En los Estados Unidos ya hay 65.000 rodillas mecánicas, 110.000 caderas y 50.000 hombros. Una cadera artificial dura diez años y una rodilla algo menos por su gran desgaste, pero estas prótesis ya cuentan con sistemas robóticos para su implantación. En Israel están perfeccionando un sistema de retroalimentación continuo, proveniente de los sensores implantados en los nervios del hombro del miembro amputado, que produce una respuesta inmediata a la comunicación eléctrica de un nervio, en la misma forma en que se comporta el sistema nervioso. Eso permite que el brazo biónico (que encierra una minicomputadora) funcione suavemente, casi como uno normal.

MINIBOMBA PARA DIABETICOS :

La diabetes consiste en la imposibilidad del páncreas de producir insulina,hormona que permite al organismo utilizar su carburante : la glucosa quecircula por el cuerpo. Si no la fabrica, la taza de azúcar en sangre se eleva ypuede provocar un coma mortal. La solución es inyectarse insulina cadacierto tiempo. Pero las inyecciones de insulina reproducen imperfectamente laactividad del páncreas. En los años ochenta se creó la bomba externa, unaparato programable que se une al cuerpo por una aguja implantada en la piel ypermite difundir constantemente un caudal reducido de insulina.

Aunque el sistema parecía estar en su apogeo, dos investigadoresestadounidenses afinaron el aparato y crearon en 1989 la bomba implantable.Consiste en un catéter que, instalado en la cavidad peritoneal, cerca del páncreas,difunde la insulina para que se absorba al instante y emita sus dosis de formamuy precisa.

MINI DESFIBRILADOR :]

Entre los ataques al corazón, el más peligroso es la fibrilaciónventricular. El órgano, por efecto de una caótica actividad, es incapaz debombear sangre. Sólo hay un modo de parar la crisis : sometiendo al corazóna una descarga eléctrica que consigue que su actividad reemprenda su cursonatural, con un ritmo regular. Desde los años cincuenta, los servicios dereanimación disponen de desfibriladores que permiten enviar el shock que salvala vida. Pero el problema reside en llegar al hospital a tiempo. Un cardiólogopolaco ha ideado un producto revolucionario : un desfibrilador implantablecapaz de vigilar permanentemente el ritmo cardíaco y de enviar, a los primerossíntomas de fibrilación, una descarga de 700 u 800 voltios a través del corazón.

CORAZON ARTIFICIAL :

Las virtudes del corazón artificial son conocidas por casi todo el mundo, yase ha oído hablar de la bomba de resina implantada y portátil, capaz de ayudara un órgano deficiente. Varias personas se han beneficiado con este sistema, elNovacor, que por el momento es la solución para los pacientes que esperan untransplante.

Hasta ahora quienes llevaban un corazón artificial tenían enganchado a lacintura un aparato que pesaba cinco kilos. El Novacor, en cambio, es un diminutocontrolador que se sitúa en el abdomen, cerca de la bomba, y la energía esdispensada, no por un cable, sino directamente a través de la piel. Se basa endos cinturones, uno exterior, dotado de batería, y otro interior, cargado porel primero.

Este corazón ofrece la ventaja de que no es rechazado y de que se puedeimplantar a cualquier edad.

DESCARGAS ELECTRICAS CONTRA LA EPILEPSIA :

Hasta el momento, los medicamentos y la cirugía eran las únicas vías parapaliar la crisis epilépticas, pero algunos enfermos no responden a ninguno deestos tratamientos.

Ahora ha aparecido un nuevo método : la estimulación eléctrica delnervio vago, que va desde el cerebro hasta el abdomen.

En 1938 dos profesores estadounidenses demostraron que los impulsos eléctricosinfluían en la actividad cerebral. Muchos equipos investigadores se dieroncuenta de que la electricidad podía apaciguar las crisis epilépticas. Dos deellos fundaron Cyberonics, una sociedad que fabrica simuladores eléctricosimplantables.

Se trata de un generador que va situado en la clavícula y está unido a unelectrodo que los cirujanos fijan en el nervio vago.

VIVIR SIN DOLOR :

La idea de utilizar la estimulación eléctrica para atenuar el dolor vienede la antigüedad.

En 1972, el profesor Lazorthes, del hospital CHU, de Toulouse, implantógeneradores eléctricos provistos de un electrodo en el espacio epidural. Habíanacido la electroestimulación. La sensación dolorosa es el resultado de laexcitación de ciertas fibras nerviosas muy finas. La estimulación eléctricatrata de restablecer el equilibrio tocando otras fibras que tienen un efectoinhibidor sobre las primeras. Este implante surte efecto en pacientes conproblemas discales y en los casos de dolores ligados a miembros fantasmas, esdecir, en aquellas personas que dicen sentir dolor a pesar de que se les haamputado un miembro.

 

Fuentes De Información

http://www.une.edu.ve/electronica/neurona.htm

http://www.une.edu.ve/electronica/neurona.htm

Enciclopedia Multimedia en CD-Rom (Los seres vivos)

http://www.geocities.com/RecearchTriangle/Lab/5196/redesn.html

http://www.une.edu.ve/electronica/neurona.htm

Artículo: Control de Ordenadores por Señales Neurales. Investigacióny Ciencia, diciembre, 1996.

Enciclopedia Multimedia Encarta 97’.

GUYTON Tratado de Fisiología Médica, 8ª Edic. Interamericana -McGraw–Hill. 1993.

CÓMO FUNCIONA, Enciclopedia Salvat de la técnica, 1981.

UNIVERSITAS Enciclopedia cultural, Salvat, 1971.

Agradecimientos

  • Matías Ugarte

 

Trabajo realizado por:

Gustavo Luis Pavía

glp@ciudad.com.ar

Tabla De Contenidos

La Neurona *

La Red Neuronal *

Historia De Redes Neuronales Artificiales *

En Breve *

1943 Teoría de las Redes Neuronales Artificiales *

1949 Conductividad de la sinápsis en las Redes Neuronales. *

1951 Primera Red Neuronal *

Las Redes Neuronales Artificiales *

Sistema Experto. *

Interpretación De La Neurona Por Computadora *

La Neurona Artificial *

Entrenamiento. *

Método de transmisión de la información en el cerebro *

Compuerta lógicas *

Funcionamiento de las sinapsis *

Diferencias entre el cerebro y un ordenador *

Un superordenador llamado cerebro *

Diferencias entre el cerebro y una computadora *

Similitudes entre el cerebro y una computadora *

Control de Ordenadores por Señales Neurales *

Reseña Histórica. *

Los Procesos. *

Aplicaciones. *

LOS IMPLANTES QUE SALVAN VIDAS *

RETINA ARTIFICIAL : *

OIDO ARTIFICIAL : *

MOTROCIDAD ASISTIDA : *

MINIBOMBA PARA DIABETICOS : *

MINI DESFIBRILADOR :] *

CORAZON ARTIFICIAL : *

DESCARGAS ELECTRICAS CONTRA LA EPILEPSIA : *

VIVIR SIN DOLOR : *

Fuentes De Información *

Agradecimientos *

Tabla De Contenidos *

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