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

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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

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