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Presentacin de PowerPoint
gNecNeural and Cognitive Engineeringhttp://www.g-nec.com/
CAR-CSICInvestigacin en Ingeniera Neural y CognitivaDra. M. D. del CastilloCentro de Automtica y RobticaCSIC
gNecNeural and Cognitive Engineering
Daos neurolgicosMinerade datos
BiosealesRobticaC o n t r o l F u n c i n
REHABILITACINNuevas tecnologas y mtodos para la evaluacin, rehabilitacin y compensacin funcional de dficits motores y cognitivos consecuencia de desrdenes neurolgicos en el Sistema Nervioso Central (SNC)
Dao cerebral adquirido (5.5%)Lesin medular (0.08%)Parlisis cerebral (0.28%)Temblor esencial (6% mayores de 60 aos)Las intervenciones que hacen uso de ello persiguen:(i) recuperar la funcin perdida induciendo neuroplasticidad al asistir la rehabilitacin (estrategia top-down) (ii) sustituir la funcin perdida, cuando la rehabilitacin no es posible, mediante dispositivos protsicos u ortsicos
REHABILITACINLneas para la intervencin en Rehabilitacin Neurolgica
Neuroprtesis Motoras (MNPs)
Exoesqueletos vestibles (NeuroRobots, NR)REHABILITACINLneas para la intervencin en Rehabilitacin Neurolgica
REHABILITACINCANCELACIN TEMBLOR
Rehabilitacin: Bases Neurofisiolgicas (I)
Aprendemos nueva informacin y destrezas desde el perodo de desarrollo y a lo largo de la vida gracias a la plasticidad presente en las neuronas y sinapsis del sistema nervioso central desde la corteza cerebral hasta la mdula espinal: cambios a nivel sinptico, neuronal o de red neuronalEl trmino 'plasticidad cerebral' expresa la capacidad del cerebro para minimizar los efectos de las lesiones mediante cambios estructurales y funcionalesUna gran parte de procesos lesivos que afectan al sistema nervioso muestran el efecto de la plasticidad bien de forma espontnea o tras tratamientos de rehabilitacin adecuadosREHABILITACIN
REHABILITACIN Rehabilitacin: Bases Neurofisiolgicas (II)
Las oscilaciones cerebrales (sincronizacin, desincronizacin y desplazamientos de frecuencia) constituyen la manera de transmitir informacin en el cerebro
La potencia de la seal EEG refleja el nmero de neuronas que se descargan sncronamente: una medida de la capacidad de procesamiento de informacinrelacionada con funciones motoras y cognitivas en determinadas bandas de frecuencia (deltha, theta, alpha, betha, gamma) puede sufrir cambios tnicos (con la edad) o de fase (relacionados con eventos)
Determinados ritmos se bloquean, atenan o desincronizan con la realizacin de movimientos, la atencin o el esfuerzo mental: las tareas ms difciles conllevan una mayor desincronizacin en amplitud y latencia, que es ms extensa topogrficamente
REHABILITACINRehabilitacin: Bases Neurofisiolgicas (y III)
Las nuevas tendencias de rehabilitacin se centran en modificar el SNC, en base a la plasticidad neuronal, para producir mejoras en el Sistema Nervioso Perifrico (SNP) y facilitar su rehabilitacin (enfoque top-down), mediante potenciacin o inhibicin de la actividad neuronal, generalmente en la corteza, y, de ese modo, producir cambios estructurales
Las terapias de rehabilitacin se centran en el estado del cerebro despus del dao cerebral y en que su recuperacin implica la participacin activa del paciente y la percepcin corporal inmediata de la respuesta a dicha participacin
Facilitacin asociativa corticoespinal
Neuromodulacin endgena
Neuromodulacin exgena
REHABILITACINNeuromodulacin endgena
Actividad neuronal modulada de manera voluntaria por el sujeto mediante mecanismos internos de pensamiento
BCI
Neurofeedback
REHABILITACINTecnologa Brain Computer Interface (BCI)
Deteccin inicio de movimiento a partir de EEG
Estrategia fsica y cognitiva para promover la plasticidad cerebral basada en una rehabilitacin convencional de la funcin motora (prctica de movimientos repetitivos de los miembros afectados que reorganicen los patrones de control motor) guiada por su actividad cerebral cortical vinculada a una actividad motriz (alcance, marcha)REHABILITACINTecnologa Brain Computer Interface (BCI)BCI basado en el uso de la actividad cerebral existente para activar un dispositivo que asista al movimiento, apoyndose en la idea de que al realizarse el movimiento el sujeto recibe como salida del BCI una entrada sensorial propioceptiva (estimulacin elctrica, proyeccin en gafas de RV, control de exoesqueleto) que induce la plasticidad del sistema nervioso y conduce a la restauracin del control motor normal
REHABILITACINCANCELACIN TEMBLOR con BCI
REHABILITACINICTUS con BCI
REHABILITACINMARCHA en PARLISIS CEREBRAL con BCI
REHABILITACINMARCHA en PARLISIS CEREBRAL con BCI
Configuracin BCIen RVNeuromodulacinendgena1 Etapa 2 Etapa Protocolo de intervencin
Resumiendo, este paciente, a pesar del dao cerebral, fue capaz de controlar el BCI cada vez mejor potenciando la desincronizacin de sus ritmos corticales asociados al inicio de la marcha ms eficientemente y revelando al final de la intervencin fenmenos neurofisiolgicos como el BP, que eran inexistentes al comienzo de la misma y cuyo uso puede resultar adecuado para detectar con precisin temporal el inicio del movimiento.
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Paciente 3: BCI exoesqueletoPaciente 3: entrenamiento con RV
REHABILITACINMARCHA en PARLISIS CEREBRAL con BCI
Fenmeno neurofisiolgico modulado: desincronizacin de ritmos corticales motores
REHABILITACINRealidad Virtual (RV)Estimulacin interactiva mediante un entorno simulado de objetos y eventos que proporciona al paciente realimentacin visual sobre la ejecucin real de un movimiento o el alcance de un objetivoOportunidad de practicar diariamente dentro y fuera del entorno hospitalario incrementando la motivacin y la atencinPersonalizacin: estmulos, prctica intensiva
Puente entre la intencin del movimiento y su ejecucin ayudando a los pacientes a reaprender el control motor
REHABILITACINNeurofeedback (NFB)Modulacin voluntaria de la actividad cerebral mediante su visualizacinEntrenar buscando patrones de actividad cortical especficos vinculados a buenos niveles de respuesta conductual (movimiento, cognicin, mental)
REHABILITACINTMS
b) Neuromodulacin exgena
Actividad neuronal modificada por estmulos externos
Estimulacin Magntica Transcraneal (TMS)Modificacin de la excitabilidad
Se aplica en pulsos separados por espacios de tiempo determinado (rfagas): TMS repetitivo
Excita si se aplican rfagas de manera continua
Inhibe si se aplican rfagas de manera intermitente
Desrdenes psiquitricos, cognitivos y motores
Objetivos
Entrenar la memoria de trabajo WM buscando contrarrestar el declive cognitivo asociado al envejecimiento: capacidad para retener informacin durante perodos breves de tiempo que determina, en gran medida, las aptitudes para el razonamiento y la resolucin de problemas
Identificar correlatos neuronales y neuropsicolgicos derivados del entrenamiento de la WM
Metodologa
Entrenamiento implcito: slo se informa de aciertos y fallos y no se ensean estrategias para memorizar
REHABILITACINEntrenamiento para funciones cognitivas especficas
RITMOS:
3-7 Hz 7-12 Hz 12-30 Hz 16 ELECTRODOS:
4 Frontales4 Frontocentrales4 Centroparietales4 Parietales
REHABILITACINEntrenamiento para funciones cognitivas especficas
Esta aplicacin se sustenta en la hiptesis de que las conexiones sinpticas que determinan la capacidad de la memoria de trabajo estn gobernadas por las mismas leyes de plasticidad que caracterizan otras partes del cerebro
El envejecimiento parece limitar la capacidad plstica del cerebro, asocindose con un decremento de la actividad de la red funcional DMN (crtex fronto-parietal, crtex cingulado postero-medial, hipocampo) implicada en funciones ejecutivas, de memoria y de atencin
Existen evidencias empricas de cambios morfo-funcionales (fMRI, expresin genes relativos a la dopamina) en poblacin mayor cuando realiza entrenamiento cognitivo, incrementndose la actividad en las reas frontal, temporal y occipital as como la conectividad entre distintas reas
REHABILITACINEntrenamiento para funciones cognitivas especficas
4 niveles de carga cognitiva:
Fase de codificacin (3 segundos): Nivel INivel II Nivel III Nivel IV
Fase de consolidacin (2 segundos):
REHABILITACIN Entrenamiento para funciones cognitivas especficas
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Fase de recuerdo:
Acierto: se pasa al siguiente ejercicio
Fallo o tiempo superior a 4 segundos:
i) se muestra el error ii) se presenta otro ejercicio del mismo nivel
REHABILITACIN Entrenamiento para funciones cognitivas especficas
BCI-0 Entrenamiento para funciones cognitivas especficas
H1: se detectan cambios en los fenmenos neurofisiolgicos asociados a los procesos de la memoria a lo largo del proceso de entrenamiento?
Analizada la evolucin de la potencia de la seal EEG en las fases de codificacin y consolidacin a lo largo de las sesiones empleando tcnicas de minera de datos:
diferencias estadsticamente significativas en todas las bandas de frecuencia entre diferentes sesiones y diferentes niveles de dificultad en todos los canales
BCI-0 Entrenamiento para funciones cognitivas especficas
Diferencias de potencia entre Nivel I y Nivel II entre 7-11 Hz en F7:
Verde: 68% de los participantes presentan una diferencia positiva
Rojo: 10% de los participantes presentan una diferencia negativa Gris: 22% sin diferencias signiticativas
BCI-0 Entrenamiento para funciones cognitivas especficasH1: se detectan cambios en los fenmenos neurofisiolgicos asociados a los procesos de la memoria a lo largo del proceso de entrenamiento?
Analizados los potenciales evocados (ERPs) en la fase de recuerdo en las respuestas correctas para la respuesta afirmativa S y la respuesta negativa NO, se encuentran diferencias estadsticamente significativas entre diferentes sesiones y diferentes niveles de dificultadLevelP2amplitudeP2latencyN2amplitudeN2latencyP3AmplitudeP3Latency121.75153.50-9.30199.7826.32307.26217.60155.55-12.08198.7323.21310.13314.71153.39-15.81204.5918.99303.83413.97155.33-15.84203.2218.55299.13
LevelP2amplitudeP2latencyN2amplitudeN2latencyP3amplitudeP3latency122.23153.38-9.37200.8325.64304.01217.90154.79-11.58200.1822.68308.68315.11153.71-15.60204.6818.83303.27413.74153.82-16.43208.0217.60300.06
H2: se correlacionan los cambios neurofisiolgicos con cambios neuropsicolgicos?
Se analiza la evolucin de los tiempos de respuesta en la fase de recuerdo:
diferencias estadsticamente significativas entre diferentes sesiones y diferentes niveles de dificultad
BCI-0 Entrenamiento para funciones cognitivas especficas
61% participantes tardan ms en responder en el Nivel III que en el Nivel II
H2: se correlacionan los cambios neurofisiolgicos con cambios neuropsicolgicos?
Analizadas las diferencias pre y post tests en el grupo de entrenamiento y en el de control existen diferencias estadsticamente significativas entre ambos grupos en el mbito cognitivo de la memoria, adems de en otros, que pueden ser atribuidos al proceso de entrenamientoBCI-0 Entrenamiento para funciones cognitivas especficas
BCI-0 Entrenamiento para funciones cognitivas especficasH3: se detectan cambios plsticos?
Cambios en la conectividad funcional (correlaciones temporales entre la actividad fisiolgica de diferentes reas del cerebro) en estado de reposo antes y despus de cada sesin de entrenamiento
Cambios de activacin en reas del cerebro involucradas en tareas que comparten regiones cerebrales con la tarea de entrenamientoFreq. 13-20 Hz: reposo pre y post en cada sesinFreq. 20-30 Hz: reposo pre y post en cada sesin
NEUROFISIOLOGAAnlisis y procesamiento inteligente de la informacin para la ayuda a la caracterizacin, diagnstico diferencial y pronstico del desorden neurolgicoAdquisicin y realimentacin de seales: - electroencefalogrficos (EEG) - electromiogrficos (EMG)
NEUROFISIOLOGA- Sensores inerciales
Proporcionan aceleracin y velocidad en los tres ejes de articulaciones y segmentos
- Seguimiento ocular
Proporciona el punto donde se fija la mirada en cada instante, el tiempo de fijacin y la dilatacin de la pupila
NEUROFISIOLOGA
Estimulacin elctrica
NEUROFISIOLOGAProcesamiento de datos de volumetra y corticometra de resonancia magntica estructural (MRI)
Aprendizaje AutomticoMinera de datos
Neuroplasticidad derivada de la rehabilitacin
CIENCIA COGNITIVAArquitecturas cognitivas: Sistemas computacionales que modelan los procesos cognitivos propios del ser humano fundamentados en teoras generales de la cognicin
El modelado individual revela informacin sobre el estado de las estructuras y mecanismos subyacentes a los procesos cognitivosConocer y comprender las capacidades cognitivas del ser humanoCaracterizacin, Ayuda al diagnstico (dficits, trastornos)
Base: estructura y funcin cerebral avaladas por las evidencias experimentales neurofisiolgicas y neuropsicolgicas Plausibilidad psicolgica, bioinspiracin
Interdisciplinariedad
IA (aprendizaje automtico), Optimizacin de parmetros (algoritmos genticos), Teora de la informacin (seleccin de atributos)
CIENCIA COGNITIVALingstica computacional
Comprensin del lenguaje natural: clasificacin, recuperacin, traduccin de textos
CIENCIA COGNITIVAFiltro anti-SPAM interactivo, personalizado, lxico heurstico
CIENCIA COGNITIVAEconmicoNo econmicoFraudeLegtimoSospechosoFraudeLegtimoBayesianoReglasEmulador
e-mailFiltro anti-PHISHING (conocimiento lingstico lxico y gramatical)
CIENCIA COGNITIVALingstica cognitiva: plausibilidad psicolgica y personalizacin
Modelado computacional del proceso de lectura: Memoria, Percepcin, Inferencia y Olvido
CIENCIA COGNITIVA- Arquitectura cognitiva ACT-R para la adquisicin y produccin de las desinencias verbales en espaol- Mecanismo dual:Lexicn mental en memoria para verbos irregulares: tener-tuveAplicacin de reglas para verbos regulares: comer-com- Estrategias cognitivas: descarga de memoria y analoga
Modelado computacional de la adquisicin y generacin de morfologa verbalCaracterizacin y diagnosis de Trastorno especfico del lenguaje (SLI) y de la enfermedad de Alzheimer
CIENCIA COGNITIVA
Sistema automtico de deteccin e identificacin de perfiles de conducta sospechosos- Base de conocimiento con modelos analticos de perfil y conductas psicolgicas a partir deconocimiento experto- Conocimiento lingstico lxico y gramatical
Similitud semntica entre oracionesTraductor SMS
CIENCIA COGNITIVA
Arquitectura conexionista para el modelado de la toma de decisiones
Teora descriptiva de la decisin: funcin de valor (prdidas, ganancias, estimaciones) unido a la subjetividad de los enlaces de la redSistemas de ayuda a la toma de decisiones
CIENCIA COGNITIVA
Herramienta experimental para analizar el comportamiento de sujetos
Proporciona explicaciones que coinciden con las de los sujetos modelados
Modelos descriptivos personalizados de tareas basadas en la experiencia: Juego de Iowa, Dinmica de entrada/salida de fluidos (DSF)Identificacin de estructuras y procesos subyacentes cerebrales alterados en consumidores de drogaSATD en situaciones de emergencia
INTERFAZ HOMBRE-MQUINAAlgoritmos que transforman la intencin humana en comunicacin con el exterior, control de dispositivos o rehabilitacin
Diseo, desarrollo y uso de sensores para capturar patrones motores y cognitivos del comportamiento humano: sensores inerciales, gafas de realidad virtual, seguimiento ocular
PROYECTOS ACTUALESXoSoft: Exoesqueleto flexible para MMII. Personas mayores. ACV
NetMD: Modelo de temblor para EP y TE con sensores inerciales para gestin del tratamiento de la enfermedad y de su evolucin desde la nube
NeuroMOD: Neurorehabilitacin para EP mediante NFB guiado por rTMS
Evaluacin de la enfermedad mental y/o declive cognitivo a travs del lenguaje y de sensores biomtricos
Spin-off 2015:
Sensores vestibles y reactivosSoftware para rehabilitacin Software de evaluacin clnica
gNecNeural and Cognitive Engineering
Equipo de Investigacin:
Colaboradores externos:E. Louis (Columbia University)P. Bonato (Harvard Medical School)A. Holobar (University of Maribor)D. Farina (Goettinguen University)D. Popovic (Aalborg University)J.M. Belda-Lois (IBV)J. Benito-Len (H. 12 de Octubre)I. Martinez (Hospital Nio Jess)T. Freire & A. Frizera (UFES)Dr. Eduardo RoconDra. M.D. del CastilloDr. J.I. SerranoDr. R. RayaDr. J.A. GallegoTS C. BaynTS M. VelascoTS A. ClemoteFP O. RamrezCentro de Automtica y Robtica (CAR), CSIC
gNecNeural and Cognitive Engineering