1. BCIBRAIN COMPUTER INTERFACE

2. PRESENTACIN, LA PARTE QUE MENOS MEGUSTA Carlos Toxtli Hernndez 13 aos de experiencia en el desarrollo de sistemas en mltiples tecnologas. 7 aos en mandos de responsabilidad. 3. ALGUNOS PROYECTOS YTECNOLOGAS 4. ALGUNOS LOGROS 5. OBJETIVO Acercar a la gente al uso y desarrollo de interfaces BCI. Explicar los conceptos bsicos del estudio de seales del cerebro. Desmitificar las creencias acerca de los alcances de los BCIempleando tcnicas convencionales. Avances y que falta por recorrer. Se pretende esta sea una gua bsica para el comienzo de estudiosen BCI. 6. TCNICAS PARA OBTENCIN DE SEALES (OUTPUT) Tcnicas invasivas: Un implante cerebral, a menudodenominado implante neural, es undispositivo tecnolgico que se conectandirectamente al cerebro de un sujetobiolgico - por lo general se coloca en lasuperficie del cerebro, o conectado a lacorteza cerebral. Un objetivo comn de losimplantes cerebrales modernos y de lainvestigacin actual es desarrollar unaprtesis biomdica que permita remplazarzonas del cerebro que se han vueltodisfuncionales a causa de lesiones en lacabeza o accidentes cerebrovasculares.(Ejemplo BrainGate) 7. TCNICAS PARA INSERCIN DESEALES (INPUT) Deep brain stimulation (DBS) Enviar seales directamente al cerebro La FDA (Food and Drug Administration9 solo ha aprobado su uso para el tratamiento de las siguientes enfermedades: Parkinson Pnico crnico Depresin severa. Sndrome de Tourette 8. TCNICAS DE EXPLORACIN NOINVASIVAS FMRI (imgenes por resonancia magntica funcional) es el uso deMRI para medir la respuesta de los flujos sanguneos durante laactividad neuronal en el cerebro o en la mdula espinal en humanos oanimales. Es uno de los ms recientes avances en la formacin deneuroimgenes. 9. MEG (Magnetoencefalografa) es una tcnica usada para medir loscampos magnticos generados por la actividad elctrica en el cerebromediante sensores extremadamente sensibles tales comosuperconductores de interferencia cuntica (SQUIDs). 10. PET (Tomografa de emisin de positrones) Permite observar el flujosanguneo o el metabolismo en una parte del cerebro. Al sujeto se leinyecta glucosa radioactiva que seguidamente es detectada en lasreas ms activas del cerebro. 11. MRS ( Resonancia magntica espectroscpica) basada en procesosde valoracin de la funciones del cerebro vivo. MRS toma lasventajas de la apreciacin de los protones (tomos de hidrgeno) queresiden como diferencia del entorno qumico dependiendo bajo qumolcula est hospedada (H2O vs. proteinas, por ejemplo) 12. 2D-Ultrasound Imaging (imagen por ultrasonidos2D) Nuevo tipo de generacin de imgenes endos dimensiones por ultrasonidos en tiempo realcapaz de medir y visualizar el metabolismo poranlisis y seguimiento de amplitud de cambioslocalizados 13. EMIT (Tomografa cerebral porcomputacin activa de microondas) esuna nueva tecnologa que permitemedir las propiedades fisiolgicas delos tejidos y rganos en tiempo real,basado en las diferenciacin de laspropiedades dielctricas de lostejidos. 14. NIRS, Optical Topography (topografa ptica) utiliza los principiosdel espectro de la luz infrarroja para analizar los cambios en elneuro-metabolismo durante la actividad cerebral. 15. EEG (Electroencefalograma) es un medidor neurofisiolgico de laactividad elctrica del cerebro por medio de electrodos colocados enla superficie de la cabeza, o en casos especiales, sobre la superficiedel cortex cerebral. Tambin conocido como brainwaves o impulsoselctricos cerebrales. 16. MINDWAVE MOBILE Electrodos: 1 2 mental states (based on 4 brainwaves), eyeblinks 21 March 2011 Neurosky .NET,Android,iPhone,Arduino 17. NECOMIMI Electrodos: 1 1 mental state July 2012 Neuroware 18. MINDSET Electrodos: 1 2 mental states (based on 4 brainwaves), eyeblinks 1 December 2011 Neurosky 19. MINDBALL Electrodos: 1 1 mental state 21 December 2009 Mattel (Neurosky partner) 20. STAR WARS FORCE TRAINER Electrodos: 1 1 mental state 21 June 2009 Uncle Milton (Neurosky partner) 21. Electrodos:1 8 EEG bands 5 January 2011 XWave 22. MYNDPLAY Electrodos:1 8 EEG bands 1 December 2011 MyndPlay 23. NEURAL IMPULSE ACTUATOR Electrodos:3 2 brainwaves (Alpha & Beta), facial muscle and eye movements May 2008 OCZ Technology Python 24. EMOTIV EPOC Electrodos:14 4 mental states (based on brainwaves), 13 conscious thoughts,facial expressions, head movements (sensed by 2 gyros) 21 December 2009 Emotiv Systems C#,C++,Java,Matlab,Python 25. INTENDIX-SOCI Electrodos: 64 It can detect different brain signals with an accuracy of 99% March 2012 G.TEC 26. INTENDIX-PAINTING Electrodos: 64 It can detect different brain signals with an accuracy of 99% March 2012 G.TEC 27. INTENDIX-SPELLER Electrodos: 64 It can detect different brain signals with an accuracy of 99% March 2012 G.TEC 28. OPENEEG rmalo a tu gusto con las guas, el software y especificaciones deOpenEEG 29. CARACTERSTICAS DE SISTEMASEEG El primer reporte acerca del registro de actividad elctrica cerebralfue publicado en 1929 por Hans Berger. El ancho de banda del EEG va de DC-100 Hz, con el mayorporcentaje de potencia entre 0.5 y 60 Hz. Las amplitudes sobre el crneo oscilan entre 2 y 100 V (el potencialen reposo de una neurona es de entre -60 y -70 mV) La magnitud de la actividad elctrica registrada en el EEG (V) esmucho menor que la actividad elctrica generada por una solaneurona (mV) porque es filtrada y atenuada al pasar por lasdiferentes capas de tejido que separan la superficie cortical delelectrodo de registro (Westbrook, 2000). 30. CARACTERSTICAS DE SISTEMASEEG Los tipos de electrodos mas comunes son: Secos, con Gel o consolucin salina. Los registros del EEG muestran seales irregulares que no presentan engeneral patrones definidos. No obstante, su espectro vara considerablemente con los estadosfsicos y el comportamiento, por lo que el estudio en el dominio de lafrecuencia ha sido el ms usado en diagnstico neurolgico. Los modelos que resultan de realizar el anlisis cuantitativo del EEG oEEG cuantitativo (EEGq) en el dominio de la frecuencia se obtienen apartir de la conversin de la actividad elctrica cerebral de un grfico enel dominio del tiempo, mediante el procesamiento de seales con latransformada rpida de Fourier (FFT), que permite descomponer el EEGen sus componentes de frecuencia y a simultneamente medir la energade cada uno de ellos. Se suele analizar ondas en 4 bandas, delta theta alpha beta 31. ONDAS DELTA Las ondas delta son oscilaciones son el resultado de larepresentacin de la actividad cerebral frente al tiempo, estas dadasu naturaleza presentan una periodicidad, su rango de frecuencias esde 1-3 Hz. Estas son detectadas en el cerebro humano a travs de unelectroencefalograma. Normalmente estn asociadas con etapas desueo profundo. 32. ONDAS THETA Las ondas Theta son oscilaciones electromagnticas en el rango defrecuencias de 3.5 y 7.5 Hz que se detectan en el cerebro humano atravs de un electroencefalograma. Normalmente estn asociadas con las primeras etapas de sueo,fases 1 y 2. Se generan tras la interaccin entre los lbulos temporaly frontal. 33. ONDAS ALPHA Las ondas alpha son oscilaciones electromagnticas en el rango defrecuencias de 8-12 Hz que surgen de la actividad elctrica sincrnicay coherente de las clulas cerebrales de la zona del tlamo. tambinson llamadas Ondas de Berger, en memoria de Hans Berger, elprimer investigador que aplic la electroencefalografa a sereshumanos. Las ondas alfa son comnmente detectadas usando unelectroencefalograma (EEG) o un magnetoencefalograma (MEG), yse originan sobre todo en el lbulo occipital durante periodos derelajacin, con los ojos cerrados, pero todava despierto. Estas ondasse atenan al abrirse los ojos y con la somnolencia y el sueo. Sepiensa que representan la actividad de la corteza visual en un estadode reposo. 34. RITMO MU Una onda similar a las alfa, llamada mu () es a veces observadasobre la corteza motora y se atena con el movimiento o inclusocon la intencin de moverse. 35. ONDAS BETA Las ondas Beta son oscilaciones electromagnticas en el rango msalto de frecuencia que se detectan en el cerebro humano a travs deun electroencefalograma. Estn asociadas con etapas de sueo nulo,donde se est despierto y consciente y las ondas son mas frecuentesen comparacin con las ondas delta, alfa y theta. 36. ONDAS GAMA Las ondas gamma son un patrn de oscilacion neuronal que tienelugar en los seres humanos, cuya frecuencia oscila entre los 25 y los100 Hz,1 aunque su presentacin ms habitual es a 40 Hz.2 Se hateorizado que las ondas gamma podran estar implicadas en elproceso de percepcin consciente,3 4 5 pero no hay acuerdounnime al respecto. 37. RECOMENDACIONES Se una electrodo de referencia. Es mas fcil hacer pruebas con pelo corto. Lavar el rea para quitar sudor y grasa de la piel en contacto. Mantener el mayor reposo posible. Posicin confortable 38. COMO PONER LOS ELECTRODOS 39. POSICIONES ELECTRODOS 40. NOMENCLATURA 41. POSICIONES ELECTRODOS ENCEREBRO 42. REAS EXTERNAS Y SU FUNCIN(BROADMAN) 43. REAS INTERNAS Y SU FUNCIN(BROADMAN) 44. CEREBELO Encargado de la parte motora, sus sealesno son detectables desde EEG. Dato curioso: La forma mas rpida bajar depeso es usndolo al mximo. 45. BIOSEALES 46. ARTEFACTOS Los artefactos son seales indeseadas que distorsionan el EEG y quesurgen de acciones cotidianas, como parpadear o mover un msculo.La aparicin de artefactos en la adquisicin de EEG es inevitable, portanto, una de las prcticas fundamentales en el registro de EEG, enprimer lugar es evitar en la medida de lo posible el nmero deartefactos. Desde el punto de vista de procesado, es una etapa crtica paraobtener una seal EEG, por ello los sujetos deben permanecer, en lamedida de lo posible, en una posicin neutra y relajada, evitando elexcesivo parpadeo. 47. TIPOS DE ARTEFACTOS Los artefactos pueden ser divididos en dos categoras: Siolgicos No siolgicos. Cualquier fuente en el cuerpo con un dipolo elctrico o quegenere un campo elctrico es capaz de producir artefactossiolgicos, por ejemplo el corazn, ojos, msculos y lengua. El sudor puede tambin alterar la impedancia de contacto de loselectrodos y producir un artefacto. Artefactos no siolgicos incluyen la interferencia de 60 Hz delequipo elctrico, artefactos kinesiolgicos causado por el cuerpoo movimientos del electrodo, y artefactos mecnicos debidos almovimiento del cuerpo. 48. MOVIMIENTO MUSCULAR (EMG) La actividad muscular aparece como artefacto frecuentemente. Elartefacto EMG ocurre en los rangos alpha y beta superiores,especialmente por encima de los 23Hz. Y aparecenfrecuentemente en los sensores T3 y T4 y en el rea frontal, perotambin pueden localizarse en T5 y T6 debido a la tensin del losmsculos del cuello. 49. ARTEFACTOS DE MOVIMIENTO El movimiento del cuerpo, la cabeza o los cables de un electrodoproducen artefactos. Por tanto, es importante recordar al sujeto que permanezcaquieto. Tambin se recomienda la colocacin de una toalla en elcuello del sujeto para que la cabeza y los electrodos posterioresno tengan contacto con el respaldo de la silla. Adems se evitarla tensin del cuello al situar al toalla. Este tipo de artefactospueden evitarse asegurando una posicin confortable, y detenercada 4-5 minutos el registro de EEG para que la persona sereajuste y cambie de postura si es necesario. 50. MOVIMIENTOS OCULARES Es de vital importancia poseer un canal donde se visualice elmovimiento ocular. La fuente del dipolo ocular es de unos100mWat entre el aqueous y vitreous. Movimiento vertical: Aunque los parpadeos son simtricos en Fp1y Fp2, un canal para EOG asegura la identificacin de parpadeo.Este tipo de artefacto se reconoce porque la seal EEG muestraun contorno puntiagudo en forma triangular dndose lugar en loselectrodos frontales. Siendo ms prominente en Fp1 y Fp2 queen F3 o F4. Movimiento lateral: tambin es detectado por un desfase en loselectrodos F7 y F8 51. ARTEFACTO POR EL PARPADEO Son potenciales de voltaje alto mximos en los canales frontales.Las desviaciones son sincronizadas y hay una desviacinimportante en direccin inferior. El registro se debe al potencialcorneorretiniano (la crnea es electropositiva respecto de laretina, en milivoltios) y hay una contribucin menor delelectrorretinograma(ERG). Durante el parpadeo, los globosoculares giran un poco hacia arriba (fenmeno de Bell). As, loselectrodos frontopolares se hacen momentneamente positivos.Son artefactos de una frecuencia entrelos 8 y 10 Hz. 52. ARTEFACTO POR EL PULSO (EKG) Se identifica por ser una onda rtmica y de configuracinpuntiaguda que tiene la misma frecuencia que el EKG. El tiempode ascenso es ms rpido que el de descenso. Este artefactoaparece cuando se coloca un electrodo sobre una arteria delcuero cabelludo, por ejemplo sobre una rama de la arteriatemporal superficial. El desplazamiento del electrodo lejos de laarteria (es decir, a 1-2 cm) elimina el artefacto. 53. OBSTCULOS DEL EEG El EEG es solamente capaz de obtener informacin de las partesms superficiales del cerebro. Las clulas estrelladas (stellate cells) que suponen un 15% de lapoblacin neural total, generan patrones de camposelectromgneticos cerrados que no pueden ser registrados pormedios elctricos o magnticos. El anlisis visual del los registros electroencefalogrficos proporcionapoca informacin acerca de la forma en que el cerebro regulafunciones complejas como el aprendizaje, la memoria, la atencin, eincluso la ocurrencia de la plasticidad sinptica durante larecuperacin tras dao cerebral (Cantor, 1999). 54. MAPAS TOMADOS EN ESTADO DERELAJACIN 55. CMO DETECTAR PATRONES? Puede ser por medio de respuestas provocadas, mejor conocidocomo Potencial Evocado. El potencial evocado designa la modificacin del potencialelctrico producido por el sistema nervioso en respuesta a unaestimulacin externa, especialmente sensorial (un sonido, unaimagen, etc..), pero tambin a un evento interno como unaactividad cognitiva ( atencin , la preparacin del motor , etc.) Cuando un tren de estmulos sensoriales de cualquier tipo llega alcerebro, provoca secuencias caractersticas de ondas en eltrazado electroencefalogrfico (EEG), que denominamospotenciales evocados. 56. P300 UN POTENCIAL EVOCADO MUYUTILIZADO Descubierta en el ao 2002, la onda P300 (EP300, P3) es un potencial evocado que puede ser registrado mediante electroencefalografa como una deflexin positiva de voltaje con una latencia de unos 300ms en el EEG. La presencia, magnitud, topografa y duracin de esta seal se utiliza a veces en la medicin de la funcin cognitiva de los procesos de toma de decisiones. Mientras los correlatos neuronales de este potencial an estn poco claros, la reproductibilidad de esta seal hace que sea una opcin comn para los test psicolgicos tanto clnicos como de laboratorio. 57. AS SE VE UN P300 58. COMO LOGRAR APARECER UN P300 Se emplea el paradigma Odd-ball que consiste en proporcionar unestimulo discriminante o distractor con mas frecuencia, alrededor deun 80% de frecuencia, y un estimulo objetivo o diana el cuallogremos distinguir durante un 20% de frecuencia aproximadamente. Es mas sencillo lograrlo con seales auditivas o visuales, perocognitivamente (pensamientos) tambin es posible entrenando elcomo evocarlos. 59. CONFIGURACIN 60. CONFIGURACIN EMOTIV Azul:Modo normal Naranja:Volteado 61. P300 SPELLER Se basa en los procesos de toma de decisiones inconscientes de laP300 para operar una computadora. Se le presenta a un sujeto unamatriz de caracteres de 6X6 y se destacan varias filas o columnas.Cuando una columna o fila contiene el carcter el sujeto deseacomunicarse y se provoca la respuesta P300 (puesto que estecarcter es "especial" es el estmulo diana descrito en el tpicoparadigma odd-ball). La combinacin de la fila y columna que evocala respuesta localiza el carcter deseado. Se deben promediaralgunos ensayos como este para eliminar el ruido del EEG. Lavelocidad de iluminacin determina el nmero de caracteresprocesados por minuto. Los resultados de estudios que usan estadisposicin muestran que los sujetos normales pueden conseguir un95% de tasa de xito a unos 3.4-4.3 caracteres/min y las tendenciassugieren que 40 caracteres/min es el lmite terico mximo lograble 62. P300 SPELLER DESDE OPENVIBE Gran parte del software de BCI traen implementado dentro de losejemplos un P300 Speller asi se ve en OpenVibe 63. OPENVIBE La metodologa empleada espor medio de diagramas loscuales direccionan el flujo delos datos y nos permitedesviarlo para distintos tipos deanlisis, sumamente poderoso. 64. BCI2000 Herramienta muypoderosa que funcionade forma modular, vieneya con mdulos preprogramados quefacilitan empezar ausarlo 65. MATLAB EEGLAB Es el mas empleado para anlisisde muestras que no son en tiemporeal, ideal para dar unainterpretacin clnica de muestrasprolongadas. 66. MATLAB BCILAB Sin duda la herramienta en tipo real que promete mas, despus del 2010 sedesacelero su desarrollo pero las herramientas de entrenamiento ayuda adetectar patrones simples. 67. ALGORITMOS Linear classifiers Nonlinear Bayesian classifiers Linear Discriminant Analysis (LDA) Bayes quadratic Support Vector Machine (SVM) Hidden Markov Model (HMM) Neural Networks Nearest Neighbor classiffers MultiLayer Perceptron (MLP) k Nearest Neighbors (KNN) Learning Vector Quantization (LVQ) Mahalanobis distance Fuzzy ARTMAP Neural Network Combinations of classifiers RBF Neural Network Boosting Bayesian Logistic Regression Neural Voting Network (BLRNN) Stacking Adaptive Logic Network (ALN) Probability estimating Guarded Neural Classifier (PeGNC) Time-Delay Neural Network (TDNN) Gamma dynamic Neural Network (GDNN) 68. TABLA COMPARATIVA 69. BAYESIANOS? CON QUE SECOMEN? En trminos ms generales y menos matemticos, el teorema deBayes es de enorme relevancia puesto que vincula laprobabilidad de A dado B con la probabilidad de B dado A. Esdecir que sabiendo la probabilidad de tener un dolor de cabezadado que se tiene gripe, se podra saber -si se tiene algn datoms-, la probabilidad de tener gripe si se tiene un dolor decabeza, 70. SOFTWARE EMOTIV til para detectar artefactos, estadosmentales y entrenamiento bsico depatrones, es posible grabar las sealesEEG para posteriormente procesarlas. 71. HERRAMIENTAS EMOTIV PARA SDK 72. PROGRAMACIN CON EMOTIV SDK Su principal funcin esautomatizar lo que detecta elpanel de control y puede serprogramado enC++,C#,Java,Matlab y Python 73. MITOS Y VERDADES Mito: Puedo leer los pensamientos con BCI Verdad: En EEG no es posible, haya avances usando FMRI Mito: Puedo realizar acciones con los pensamientos mientrascamino Verdad: Ninguna tcnica ha demostrado obtener datos cognitivos si no es en reposo. 74. CMO PUEDO APRENDER MAS? www.cousera.org 75. CONCLUSIONES Los invito a entrar al fascinante mundo del BCI. Actualmente tenemos las herramientas para poderlo hacer encasa. No dejen pasar un da sin hacer sus sueos. Todo es posible, solo hganlo. 76. GRACIAS La presentacin puede ser descargada desde:http://www.facebook.com/carlos.toxtli