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Informe sobre redes neuronales

Enviado por glp



La Neurona

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

El tejido nervioso es el más diferenciado del organismo y está constituido por células nerviosas, fibras nerviosas y la neuroglia, que está formada por varias clases de células. La célula nerviosa se denomina neurona, que es la unidad funcional del sistema nervioso. Hay neuronas bipolares, con dos prolongaciones de fibras y multipolares, con numerosas prolongaciones. Pueden ser 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 mismas subdivisiones que muestra la figura. El cuerpo de la neurona o Soma contiene el núcleo. Se encarga de todas las actividades metabólicas de la neurona y recibe la 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 axón es la "salida" de la neurona y se utiliza para enviar impulsos o señales a otras células nerviosas. Cuando el axón esta cerca de sus células destino se divide en muchas ramificaciones que forman sinápsis con el soma o axones de otras células. Esta unión puede ser "inhibidora" o "excitadora" según el transmisor que las libere. Cada neurona recibe de 10.000 a 100.000 sinápsis y el axón realiza una cantidad de conexiones similar.

La transmisión de una señal de una célula a otra por medio de la sinápsis es un proceso químico. En él se liberan substancias transmisoras en el lado del emisor de la unión. El efecto es elevar o disminuir el potencial eléctrico dentro del cuerpo de la célula receptora. Si su potencial alcanza el umbral se envía un pulso o potencial de acción por el axón. Se dice, entonces, que la célula se disparó. Este pulso alcanza otras neuronas a través de la distribuciones de los 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 de salidas que controlan, por ejemplo, los músculos. La figura 6 muestra un esquema 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" u ocultas que realizan la computación necesaria. De esta manera similar, una red neuronal 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 evolución del estado de la tecnología. Por ejemplo, al finalizar el siglo 19 se le comparó con la operación de la bomba hidráulica; durante la década de 1920 a 1930 se intento utilizar la teoría de la conmutación telefónica como punto de partida de un sistema de conocimiento similar al del cerebro. Entre 1940 y 1950 los científicos comenzaron a pensar seriamente en las redes neuronales utilizando como concepto la noción de que las neuronas del cerebro funcionan como interruptores digitales (on - off) de manera también similar al recién desarrollado 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 explicar el funcionamiento del cerebro humano, por medio de una red de células conectadas 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 la retroalimentación producirían una reacción positiva si los músculos reducen la diferencia entre una condición percibida por los sentidos y un estado físico impuesto por el cerebro.

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

1949 Conductividad de la sinápsis en las Redes Neuronales.

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

1951 Primera Red Neuronal

El extraordinario estudiante de Harvard, Marvin Minsky conoció al científico Burrhus Frederic Skinner, con el que trabajó algún tiempo ayudándole en el diseño y creación de máquinas para sus experimentos. Minsky se inspiró en Skinner para gestar su primera idea "oficial" sobre inteligencia artificial, su Red Neuronal. Por aquel entonces entabló amistad con otro brillante estudiante, Dean Edmonds, el cual estaba interesado en el estudio de una nueva ciencia llamada Electrónica.

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

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

Las Redes Neuronales Artificiales

Sistema Experto.

Un método más avanzado para representar el conocimiento, es el sistema experto. Típicamente está compuesto por varias clases de información almacenada: Las reglas If - Then le dicen al sistema como se debe reaccionar ante los estados del "mundo". Una regla del sistema experto puede ser if Y es un hombre, Then Y es mortal. Los hechos describen 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 nueva conclusión se añade a la colección de hechos que se almacena en los medios ópticos o magnéticos del computador digital. De esta forma, un sistema experto sintetiza nuevo conocimiento a partir de su "entendimiento" del mundo que le rodea. De esta forma, un sistema experto es un método de representación y procesamiento del conocimiento, mucho más rico y poderoso que un simple programa de computador. Sin embargo, con respecto a la manera en que opera el cerebro humano, las limitaciones son múltiples. Los problemas planteados en términos difusos o ambiguos , por ejemplo, son muy complejos de analizar o "conocer" con sistemas de procesamiento simbólico, como los sistemas expertos o programas de computador.

Interpretación De La Neurona Por Computadora

Una neurona se puede comparar con una caja negra compuesta por varias entradas 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 transferencia se encuentra en la ..figura 2.

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

La Neurona Artificial

Un circuito eléctrico que realice la sume ponderada de las diferentes señales que recibe de otras unidades iguales y produzca en la salida un uno o un cero según 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 función de transferencia para la activación o disparo de la neurona puede ser de umbral lógico (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 una entrada.

La neurona artificial es un dispositivo eléctrico que responde a señales eléctricas. La respuesta la produce el circuito activo o función de transferencia que forma parte del cuerpo de la neurona. Las "dendritas" llevan las señales eléctricas al cuerpo de la misma. Estas señales provienen de censores o son salidas de neuronas vecinas. Las señales por las dendritas pueden ser voltajes positivos o negativos; los voltajes positivos contribuyen a la excitación del cuerpo y los voltajes 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 señales a las neuronas ocultas. Las neuronas que se disparan con la señal de entrada aumentan el grado de conexión de ellas. Si el mismo objeto A se presenta una y otra vez, la interconexión de neuronas se refuerza y, por lo tanto, el conocimiento del objeto.

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

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

En la figura 9 se presenta el esquema de una neurona artificial durante la etapa 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 representa por las resistencias variables que indican los pesos de las conexiones. Después de aplicar un algoritmo de entrenamiento y de aplicar repetidamente todas las parejas de entrada y salida necesarias, la red queda entrenada y con el peso de conexiones definido, fig. 10b.

Método de transmisión de la información en el cerebro

Antes conviene saber que en los primeros tiempos de la informatica a los ordenadores se los llamaba calculadoras de cifras electronicas o simplemente calculadoras digitales. Los sistemas digitales trabajan con cifras en código binario que se transmiten en formas de impulsos (bits). Los sistemas analógicos procesan señales continuamente cambiantes, como música o palabra hablada.

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

En principio los ordenadores trabajan de manera semejante. Así una sensación mas fuerte corresponde en un equipo informático a una cifra más alta (o en una palabra mas larga). Sin embargo en un ordenador los datos se transmiten siempre a un mismo ritmo; la frecuencia base es inalterable. Por eso las cifras mas altas tardan mas tiempo en ser transmitidas. Como por lo general el ordenador o trabajan en tiempo real, esto no tiene mayor importancia, pero cuando se trata de 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 mismo espacio 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 perfectamente determinada e inalterable. En el cerebro también hay elementos de conexión parecidos, las llamadas sinapsis, donde confluyen en gran numero las fibras nerviosas.

Funcionamiento de las sinapsis

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

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

Una sinapsis suma las tensiones de los impulsos entrantes. Cuando se sobrepasa un determinado nivel de tensión; el llamado umbral de indicación; esta se enciende, esto es deja libre el camino para que pasen los impulsos. Si el umbral de indicación de tensión es demasiado bajo, la sinapsis actúa como una puerta lógica del tipo Or, pues en tal caso pocos impulsos bastan para que tenga lugar la conexión. En cambio cuando el umbral de indicación es alto, la sinapsis actúa como una puerta And, ya que en ese caso hace falta que lleguen la totalidad de los impulsos para que el camino quede libre. También existen conducciones nerviosas que tienen la particularidad de bloquear el paso apenas llegan los impulsos. Entonces la sinapsis hace la función de una compuerta inversora. Esto demuestra la flexible del sistema nervioso.

Diferencias entre el cerebro y un ordenador

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

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

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

Pero tampoco es necesario ya que basta con que pensemos en el contenido o significado de la información para que un mecanismo, cuyo funcionamiento nadie conoce, nos proporcione automáticamente no solo la información deseada sino que también las informaciones vecinas, es decir, datos que de una u otra manera hacen referencia a lo buscado.

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

En todo el mundo pero sobre todo en Estados Unidos y Japón, científicos expertos tratan de dar con la clave de la memoria asociativa. Si se consiguiera construir un chip de memoria según el modelo humano, la ciencia daría un paso gigante en la fascinante carrera hacia la inteligencia artificial. Y además el bagaje del saber humano quedaría automáticamente enriquecido.

Un superordenador llamado cerebro

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

El cerebro humano posee mas de diez millones de neuronas las cuales ya están presentes en el momento del nacimiento conforme pasa el tiempo se vuelven inactivas, 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 domésticos consumen una cantidad semejante. Las necesidades de oxigeno y alimento es enorme en comparación con el resto del cuerpo humano: casi una quinta parte de toda la sangre fluye por el cerebro para aprovisionar de oxigeno y nutrieres. La capacidad total de memoria es dificil de cuantificar, pero se calcula que ronda entre 10ª12 y 10ª14 bits.

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

Según todos los indicios el cerebro dispone de dos mecanismos de almacenamiento de datos: la memoria intermedia acepta de cinco a diez unidades de información, aunque solo las mantiene durante agudos minutos. La memoria definitiva guarda las informaciones para toda la vida, lo que no significa que nos podamos acordar siempre de todo. La memoria inmediata trabaja como una espacie de cinta continua: la información circula rotativamente en forma de impulsos eléctricos por los registros. El sistema es comparable a la memoria dinámica de un ordenador, en la que la información tiene que ser refrescada continuamente para que no se pierda. En cambio, la memoria definitiva parece asemejare mas bien a las conocidas memorias de celdillas de los ordenadores. Se cree que esta memoria funciona gracias a formaciones químicas de las proteínas presentes 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, es una idea que ha dejado de ser parte de las novelas de ciencia-ficción, para integrarse a las filas de temas de estudio e investigación serios.

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

Reseña Histórica.

En 1849, Emil Heinrich Du Bois-Reymond, se basaba en la teoría de que el sistema nervioso poseía una naturaleza eléctrica. Detectaba las imperceptibles descargas eléctricas provocadas al contraer los músculos del brazo. Utilizó un galvanómetro, un primitivo medidor de tensiones, y cuyo electrodo, constituía de los hilos del 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 eléctricas unas treinta veces más intensas.

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

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

Las Herramientas.

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

Las señales que se captan se denominan "señales electromiográficas o EMG".

Otro sistema deriva de otro fenómeno bio-eléctrico, la diferencia de potencial 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 batería eléctrica, cuando la persona cambia la orientación de sus ojos. Tales impulsos fueron llamados "señales electrooculográficas o EOG.

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

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

Los Procesos.

Hemos visto que hasta ahora, se utiliza, principalmente como sensor para captar las señales, al electrodo, que en todos los casos capta diferencias de potencial.

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

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

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

El caso EMG (electromiográfico): se ha diseñado un equipo que sirve de interfaz 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 extenso procesamiento de dichas señales digitalizadas, el ordenador puede determinar cuando y en que medida se contraen las fibras musculares próximas a los electrodos, de esta manera, la actividad muscular puede dirigir la operación de un ordenador personal.

Lógica difusa o Lógica fuzzy, en informática, forma de lógica utilizada en algunos sistemas expertos y en otras aplicaciones de inteligencia artificial, en la que las variables pueden tener varios niveles de verdad o falsedad representados por rangos de valores entre el 1 (verdadero) y el 0 (falso). Con la lógica fuzzy, el resultado de una operación se puede expresar como una probabilidad y no necesariamente como una certeza. Por ejemplo, además de los valores verdadero o falso, un resultado puede adoptar valores tales como probablemente verdadero, posiblemente verdadero, posiblemente falso y probablemente falso.

El caso EOG (electrooculográficas): es similar al anterior, comienza por amplificar y digitalizar las tensiones recogidas por 4 electrodos, 2 para movimientos verticales y 2 para las horizontales. Seguidamente, el sistema aplica lógica borrosa para discriminar entre el movimiento real del ojo y la deriva del electrodo.

El caso EEG (electroencefalográfico): los neurólogos creen que el origen de las tensiones EEG está en las células piramidales de la corteza cerebral. Cada célula constituye un diminuto dipolo eléctrico, cuya polaridad depende de que la entrada de la red a la célula sea una inhibición o excitación. Los electrodos son altamente sensibles, de modo que, puede colocarse los electrodos sobre la piel y por encima del área que se desea estudiar.

Se ha intentado aislar ciertas señales que el sujeto pueda controlar a su voluntad. Por desgracia, las señales captadas se resisten al control. Lo que se hace, es medir continuamente una diversidad de señales EEG y eliminar por filtrado las partes indeseadas. Las diferentes ondas, se caracterizan por la frecuencia de sus emisiones, hay cinco tipos: ALFA, se crean por acciones sencillas; BETA, se las asocia a un estado de alerta; TETHA, se originan por tensión emocional, como la frustración; MU, al parecer asociadas con la corteza motora (disminuyen con el movimiento o la intención de moverse).

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

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

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

Un segundo tipo de aparato medidor de ondas cerebrales, por medio de un sistema 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 dos orientaciones, la militar y la médica.

En medicina los primeros en beneficiarse son los minusválidos con deficiencias o carencias motrices, quienes además aportan al desarrollo de estas tecnologías, por ser sujetos de prueba. Tanto las tecnologías que usan EMG, como EOG han logrado ampliar las expectativas de estos pacientes, por ej. Con EMG se observó que los impulsos eléctricos procedentes de fibras musculares activas, pueden manejar equipos electrónicos, con las señales generadas por los músculos. Con EOG una niña con una grave lesión espinal probó que podía mover el cursor de la pantalla de computadora a partir de impulsos 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 manos ocupadas con instrumentos quirúrgicos.

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

Erich E. Sutter desarrolló un sistema que permite a los discapacitados seleccionar palabras o frases de un menú formado por cuadros que destellan en la pantalla de un ordenador. Sosteniendo durante uno o dos segundos la mirada fija en el cuadro apropiado, una persona conectada por electrodos craneales puede 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 señales EP, 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 nuestros impulsos y luego poder mover o ejecutar la acción deseada

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

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

LOS IMPLANTES QUE SALVAN VIDAS

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

La electrónica ayuda a la medicina, se ha aliado con ella y ha inventado implantes que podrán parar el mal de Parkinson o la epilepsia, así como órganos artificiales que mejoran el modo de vida. También permitirá una administración precisa de los medicamentos, colocando minibombas en alguna parte del cuerpo que proporcionarán las dosis adecuadas para cada paciente, evitando los efectos secundarios.

El desarrollo de nuevos materiales permitirá la aparición de nuevos órganos artificiales, como por ejemplo falsos músculos realizados con materiales retráctiles u 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, está dotada de fotorreceptores que captan las imágenes y las transforman en señales eléctricas en dirección al nervio óptico. Si los oftalmólogos perciben, mediante test, algunas respuestas eléctricas, esto significa que el sistema ocular funciona a pesar de las dificultades de visión de los pacientes. La finalidad es captar los objetos exteriores con ayuda de una minicámara con control de imagen y, después, transplantar esta imagen eléctrica sobre el fondo de la retina. El chip electrónico que captaría toda esa información sería implantado en el interior del ojo y conectado con la retina con la ayuda de mil electrodos. Los problemas de miniaturización pueden solventarse, pero los más complicados son los relacionados con la fragilidad de la retina. Los intentos realizados en este sentido son los menos avanzados.

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

El Instituto de Organos Artificiales de Long Island, junto con la Universidad de Estern de Canadá han logrado implantar en el córtex de algunos pacientes una diminuta reja de teflón provista de sesenta y cuatro electrodos de platino conectados a una cámara de video y a un microordenador, que transforma en señales numéricas los impulsos analógicos de la cámara. Así, lo que informa la cámara se traduce en impulsos eléctricos que son directamente transmitidos al cerebro del paciente ciego.

OIDO ARTIFICIAL :

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

Desde los años cincuenta se sabe que un electrodo implantado en el oído permite a la persona entender los sonidos, pero la gran dificultad estribaba en transcribir con precisión todos los sonidos del mundo exterior. Según la zona estimulada, el nervio auditivo entiende un sonido agudo, grave o medio. La solución se dio con un dispositivo miniaturizado que convierte los sonidos captados por un micrófono en impulsos eléctricos, los cuales son enviados por cables subcutáneos a una antena adosada a la piel, cerca de la oreja. Otra antena casi microscópica, disimulada en la piel del paciente, actúa como receptor de señales. La última fase del proceso se completa al activarse un manojo de electrodos ( de 4 a 16 ) fijados previamente a la cóclea, haciendo una especie de puente sobre la vía sensorial dañada.

La técnica, que es muy segura, tiene sus limitaciones, ya que los impulsos eléctricos sólo pueden ser entendidos y decodificados por una persona que alguna 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 más profunda 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 que circula por el cuerpo. Si no la fabrica, la taza de azúcar en sangre se eleva y puede provocar un coma mortal. La solución es inyectarse insulina cada cierto tiempo. Pero las inyecciones de insulina reproducen imperfectamente la actividad del páncreas. En los años ochenta se creó la bomba externa, un aparato programable que se une al cuerpo por una aguja implantada en la piel y permite difundir constantemente un caudal reducido de insulina.

Aunque el sistema parecía estar en su apogeo, dos investigadores estadounidenses 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 forma muy precisa.

MINI DESFIBRILADOR :]

Entre los ataques al corazón, el más peligroso es la fibrilación ventricular. El órgano, por efecto de una caótica actividad, es incapaz de bombear sangre. Sólo hay un modo de parar la crisis : sometiendo al corazón a una descarga eléctrica que consigue que su actividad reemprenda su curso natural, con un ritmo regular. Desde los años cincuenta, los servicios de reanimación disponen de desfibriladores que permiten enviar el shock que salva la vida. Pero el problema reside en llegar al hospital a tiempo. Un cardiólogo polaco ha ideado un producto revolucionario : un desfibrilador implantable capaz de vigilar permanentemente el ritmo cardíaco y de enviar, a los primeros síntomas 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, ya se ha oído hablar de la bomba de resina implantada y portátil, capaz de ayudar a un órgano deficiente. Varias personas se han beneficiado con este sistema, el Novacor, que por el momento es la solución para los pacientes que esperan un transplante.

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

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

DESCARGAS ELECTRICAS CONTRA LA EPILEPSIA :

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

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

En 1938 dos profesores estadounidenses demostraron que los impulsos eléctricos influían en la actividad cerebral. Muchos equipos investigadores se dieron cuenta de que la electricidad podía apaciguar las crisis epilépticas. Dos de ellos fundaron Cyberonics, una sociedad que fabrica simuladores eléctricos implantables.

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

VIVIR SIN DOLOR :

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

En 1972, el profesor Lazorthes, del hospital CHU, de Toulouse, implantó generadores eléctricos provistos de un electrodo en el espacio epidural. Había nacido la electroestimulación. La sensación dolorosa es el resultado de la excitación de ciertas fibras nerviosas muy finas. La estimulación eléctrica trata de restablecer el equilibrio tocando otras fibras que tienen un efecto inhibidor sobre las primeras. Este implante surte efecto en pacientes con problemas discales y en los casos de dolores ligados a miembros fantasmas, es decir, en aquellas personas que dicen sentir dolor a pesar de que se les ha amputado un miembro.

Fuentes De Información

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. Investigación y 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

 

 

Autor:

Gustavo Luis Pavía

glp[arroba]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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