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Experimento: El dominio final - Midiendo tu electroencefalograma (EEG)

Has visto espigas de neuronas individuales, tu corazón, tus músculos e incluso plantas. Aquí, finalmente abordamos la señal de neurociencia más buscada y malentendida: Electroencefalograma. Mira los ritmos eléctricos de tu propio cerebro. Aprovéchate de ellos.

Tiempo 1 hora
Dificultad Avanzado

¿Qué vas a aprender?

Con este experimento, aprenderás sobre la "amplia comunicación" entre cientos de millones de neuronas, y observarás esto a través del ritmo alpha de tu corteza visual en la presencia o ausencia de luz. Podrás vislumbrar la actividad eléctrica de tu cerebro.

Prácticos Requeridos

  • Potenciales de acción del corazón - Antes de trasladarse a este experimento más desafiante de grabar las señales de tu cerebro, debes tener un entendimiento básico de la plataforma de Arduino y como usar el EKG/EEG SpikerShield para grabar la señal de tu ritmo cardíaco.


Antecedentes

Tu cráneo y piel protegen tu valioso cerebro, pero son excelentes aislantes eléctricos y hacen difícil la grabación de neuronas individuales. Para hacerlo, tienes que taladrar hoyos en el cráneo e insertar electrodos directos al cerebro, algo que solo se hace durante una cirugía para casos absolutamente necesarios, como epilepsia intratable o tumores. Para grabar neuronas individuales, tus electrodos tienen que estar en contacto directo con el tejido. Es por esto que usamos los nervios de las patas de las cucarachas cuando demostramos la actividad eléctrica neuronal. Si en vez, quisieras grabar la respuesta de una neurona de la corteza visual de un humano (ubicada en la parte de atrás de tu cabeza), en reacción a la luz...

Eso si, cuando amplias colecciones de neuronas están haciendo lo mismo simultáneamente, podemos ver la actividad sincrónica con electrodos puestos en la superficie del cuero cabelludo en la parte de atrás de tu cabeza. Cuando cierras los ojos, tu corteza visual no recibe información compleja (solo oscuridad), y la corteza visual entra en un modo de reposo sincronizado, llamado "alpha", y es lo suficientemente fuerte para que podamos detectarlo de una manera no invasiva .

La relación entre sincronía y procesamiento de datos en el cerebro puede ser difícil de entender, y se relaciona con la teoría de la información (puedes sumergirte en la obra de nuestro héroe Claude Shannon para aprender más), pero, en general, mientras más sincronizadas están las neuronas de tu cerebro, hay menos procesamiento de datos. Esto nos lleva a la paradoja siguiente: mientras más fuerte es la señal eléctrica que podemos grabar en la superficie de tu cuero cabelludo, las cosas que está haciendo tu cerebro son menos interesantes (como sueño profundo), o tenemos una situación peligrosa (como epilepsia - cuando todas las neuronas de un área están disparando rápido y al mismo tiempo, llevando a convulsiones y consecuencias más peligrosas):

La mayoría de las veces, cuando te estás concentrando intensamente, las neuronas en tu cerebro están calculando una variedad de cosas distintas. La "capacidad de información" de tu cerebro es alta, con muchas conversaciones entre neuronas. Esto se ve en el EEG como una señal muy débil, de la cual es difícil extraer algún significado. Imagínate un estadio durante medio tiempo, donde todos están conversando entre ellos. Si estuvieras afuera del estadio, solo podrías escuchar un ruido difuso. Se están diciendo varias cosas interesantes (probablemente), pero no las puedes escuchar afuera del estadio.

Pero imagínate cuando todos las personas del estadio están haciendo lo mismo, como cantar el himno nacional*. Definitivamente podemos escuchar la canción desde afuera del estadio, aunque un poco distorsionada. Esto es análogo a las ondas lentas que tu cerebro genera cuando estás durmiendo profundamente, o las ondas alfa que genera la corteza visual cuando tus ojos están cerrados.

El evento más ruidoso que podemos detectar afuera del estadio, es cuando hay un gol: una amplia masa de personas grita desaforadamente al mismo tiempo. Cuando una gran población de neuronas hace esto (todas disparando potenciales de acción al mismo tiempo), se llama "epilepsia" y es muy peligroso.

En los dos casos, del himno nacional y el gol, podemos decir que las personas del estadio están "sincronizadas" con "baja información". Podemos observar una sincronía similar en el cerebro, pero para eso no necesitamos irnos a dormir (ese es otro experimento...estén atentos) o tener una experiencia epiléptica. Podemos poner electrodos en la parte de atrás de la cabeza y observar actividad eléctrica de la corteza visual cuando cierras los ojos. Cuando cierras los ojos, hay poca información siendo enviada a tu corteza visual (está oscuro). El resultado es que la corteza visual entra en un estado de sincronía llamado "ritmo alfa" , que podemos usar en nuestro nuevo EKG/EEG SpikerShield. Estas ondas alfa fueron observadas por primera vez por el alemán científico Hans Berger en 1924 (publicado el año 1929).

La Teoría.

Entonces, ¿Qué estamos grabando en el electroencefalograma (EEG)? Estamos observando las "campos oscilantes lentos" de neuronas en las capas superiores de la corteza cerebral: específicamente "potenciales excitatorios postsinápticos" (PEPS) Estos potenciales postsinápticos son los pequeños cambios en el potencial eléctrico causados por el neurotransmisor que se está adhiriendo en las sinapsis de las neuronas. Estos cambios en el potencial eléctrico llevan a que una neurona tenga más probabilidad o menos probabilidad de disparar potenciales de acción, y son importantes para codificar información en el cerebro. Si quieres bajar por el agujero del conejo , el referente clave es el desafiante y exquisito "Mitzdorf 1985."

Si muchos PEPS están sucediendo al mismo tiempo en el mismo sector de tu cerebro, como cuando tus ojos están cerrados y las neuronas de la corteza visual están todas en "modo de reposo", podemos observar cómo se suman estos PEPS en el EEG

Interesantemente, el eminente Lord Edgar Adrian - la primera persona en conectar la actividad de espigas a un parlante y "escucharlas" en 1928, y el padre fundador de nuestro trabajo - además mostraba seguido los EEGs de la corteza visual en sus charlas de Cambridge a principios del año 1930. Seguimos vuestro ejemplo, nuestro Lord y os replicamos con la mayor fidelidad posible, según nuestras pobres habilidades lo permiten.

Descargas

Antes de comenzar, revisa si tienes los programas Grabador de Spikes de Backyard Brains y Arduino instalados en tu computador . El "Sketch" de Arduino es lo que instalas en tu placa de Arduino usando el Arduino software para computador (tu placa trae el sketch pre-instalado si lo compraste en Backyard Brains), y el programa Grabador de Spikes te permite visualizar y guardar los datos en tu computador cuando haces experimentos. Hicimos un video para explicar esto.

Video tutorial de Software

Video tutorial del experimento

Nota del video: Ya no usamos el programa processing mencionado en el video de abajo. Usa el Grabador de Spikes que aparece en el video de arriba.

Descarga nuestros sketches de Arduino(.ino) y Processing(.pde)

Video

Procedimiento

En este experimento que introduce al EEG, vamos a monitorear cómo responden las señales eléctricas de la corteza visual cuando abres y cierras los ojos en una pieza con iluminación normal.

  1. Primero tienes que ponerte el cintillo de EEG. Coloca esta prenda "de última moda" para hacer aerobica en tu cabeza, con los dos electrodos centrados en la parte de atrás (sobre la corteza visual). El lado suave de los electrodos debería estar en contacto con tu cuero cabelludo. Esto funciona si tienes pelo, pero apartarlo para que haga contacto mínimo con los electrodos ayuda.
  2. Agrega gel para electrodos abajo de los botones de metal que están en tu cintillo.
  3. Ahora, agrega un sticker de electrodo en el hueso que está detrás de tu oreja (Apófisis mastoides).Agregar un poco de gel conductivo a este electrodo antes de ponerlo en el hueso, mejora la estabilidad de tu señal.
  4. ¡Ahora puedes conectar los electrodos! No te preocupes, este experimento no genera electroshock. Conecta los clips de caimanes de tus cables a los botones de metal en tu cintillo (el orden no importa) y pon el clip de metal sin color en "tierra", detrás de tu oreja.
  5. Set up your SpikerShield and Processing Programs you have previously done with our EKG experiment. Carga el programa de Arduino y abre el programa de Processing. De nuevo, como los ajustes del filtro de este amplificador coinciden con el centro de la frecuencia de los sistemas eléctricos de tu casa, tienes que estar muy atento al ruido en este experimento. Pon tu computador y SpikerShield fuera de cualquier enchufe , luces fluorescentes, etc. Usa tu computador portátil solo con la batería. Si la señal es muy ruidosa e inestable, pon más gel conductivo entre los electrodos del cintillo. Usa el video de arriba como guía. Cuando pongas "play" en el programa de Processing, tendrás que esperar unos cuantos segundos para que tu señal se estabilice y se vea en la pantalla ( primero va a aparecer moviéndose en la parte de arriba y debajo de tu pantalla).
  6. Quédate quieto mientras estás tratando de grabar la señal de EEG - los movimientos de músculos también se pueden registrar, lo que interfiere con la lectura de EEG ( sí, sabemos, tener una señal estable puede ser complicado, por eso es que EEG es el última y más compleja señal eléctrica del cuerpo en la que nos hemos involucrado). No te muevas, relájate.
  7. Ahora, abre y cierra tus ojos, alternando cada 10 segundos. Unos segundos después de que cierres tus ojos aparecerán las ondas alpha. Obviamente, hacer este experimento con un amigo va a ser más fácil, debido a la obvia paradoja: la señal aparece cuando tienes los ojos cerrados. Pero si te encuentras en soledad.
  8. Para grabar los datos, puedes presionar la tecla "r" y los datos se guardarán como un archivo .csv que puedes abrir con Excel o Matlab, en la misma carpeta donde está tu programa de "Processing".
  9. Ya estás listo, ahora explora otros ritmos del cerebro. Quédate atento a Backyard Brains: estaremos sumirgiéndonos en el mundo de EEG e intentamos extraer su significado.

Discusión / Proyecciones

  • Prueba este experimento sin cerrar ni abrir tus ojos, solo apagando y prendiendo la luz de tu pieza.
  • ¿Las ondas alfa son realmente generadas en la corteza visual? Prueba mover el cintillo por tu cabeza para ver en qué parte el ritmo es más fuerte.
  • Como Adrian en 1934 ¿puedes generar este ritmo con el estímulo de luces que parpadean? Puedes leer el ensayo en el link de arriba.
  • Hay otros ritmos que se pueden grabar, como el ritmo motor, pero son ruidosos. Puedes aislarlos? Nosotros también intentaremos.
  • Cuando tus ojos estén cerrados, intenta relajarte lo más posible y después ponte a pensar en cosas con un imaginario visual complejo. ¿Afecta la fuerza de señal alfa concentrarse en un imaginario complejo en comparación a relajarse, cuando estamos con los ojos cerrados? Este experimento está lleno de problemas de observación ¿ Por qué crees que sucede esto, y por qué crees que es algo interesante? ¿Cómo podemos reportar estados internos (nuestros pensamientos) de los que solo nosotros mismos estamos seguros?
  • ¿Cómo se ve este ritmo mientras duermes? ¡Prueba hacer ese experimento!
  • Si quieres cambiar la interfaz o crear una nueva, puedes modificar nuestro sketch de processing donde se puede guardar y visualizar datos. Descárgalo aquí. Para hacerlo funcionar, necesitas un Sketch de Arduino diferente, que puedes bajar en este link.

    Notas

    *La excepción a esta regla es la lombriz, donde se pueden grabar espigas sin invadir su cuerpo, debido a su su piel porosa y húmeda, poniéndola plana sobre cables de electrodos. Esto se descubrió primero en 1945, y se ha replicado varias veces, incluso por nosotros mismos. (ver figura 5 en la publicación). Este es el único ejemplo en la literatura que hemos encontrado de grabaciones de actividades de neuronas afuera del cuerpo. Avísanos si nos falta alguna referencia clave.

    Debemos admitir que nunca pensamos que esto iba a funcionar pero decidimos intentarlo por la insistencia de nuestros amigos de Santiago MakerSpace en Chile. Gracias por desafiarnos Oscar, Valentina, Gabriela, y Flo! Gracias también A Italo Ahumada Morasky, un artista Chileno que trabajó de cerca con nosotros en ilustrar este desafiantes escrito.

    *Letra del himno nacional chileno.