Esta semana se presenta en la revista Device, de Cell Press, un estudio liderado por la Universidad de Texas en Austin (UT Austin) que muestra un tatuaje electrónico, inalámbrico y no permanente. El e-tattoo, adherido en la frente, decodifica las ondas cerebrales para medir la tensión mental sin necesidad de equipos voluminosos.

Según los autores, esta tecnología podría rastrear la fatiga mental de trabajadores, como controladores aéreos y conductores de camiones, cuyos lapsos de concentración pueden tener consecuencias graves.

Los autores indican que las personas rinden mejor en lo que describen como una ‘zona cognitiva de Ricitos de Oro’ (Goldilocks Principle), es decir, un punto de equilibrio donde la mente no está ni sobrecargada ni infraestimulada. Mantenerse dentro de ese umbral favorece el rendimiento óptimo.

Índice de Carga de Tareas de la NASA

La evaluación actual de la carga mental suele basarse en métodos como el Índice de Carga de Tareas de la NASA, una encuesta larga y subjetiva que los participantes completan después de realizar tareas.

Según explica Nanshu Lu a SINC, “el e-tattoo es un parche fino, similar a la piel, que se adhiere a la frente y registra las señales eléctricas del cerebro [EEG] y los ojos [EOG]. Captura patrones como los cambios en las ondas cerebrales y la actividad de parpadeo asociados al esfuerzo mental”.

Es un parche ultrafino y flexible que se adhiere a la frente para registrar señales eléctricas cerebrales y oculares. Detecta patrones relacionados con el esfuerzo mental

Nanshu Lu , líder del estudio (UT Austin)

La investigadora agrega que, “a diferencia de los sistemas convencionales, utiliza electrodos secos y elásticos y un circuito inalámbrico compacto, lo que elimina la necesidad de geles, diademas o cables”.

El nuevo tatuaje electrónico se plantea como una alternativa para analizar la actividad eléctrica del cerebro y el movimiento ocular. A diferencia de los gorros EEG, que son voluminosos, con cables colgantes y gel espeso, el e-tattoo es inalámbrico, consta de un paquete de baterías liviano y sensores adhesivos tan delgados como el papel.

Estos sensores presentan bucles y espirales onduladas, un diseño que les permite estirarse y adaptarse a la piel para mayor comodidad y mejor señal.

“Lo importante no es solo medir bien, sino hacerlo con una herramienta que a la gente le resulte fácil llevar puesta”, comenta Lu a SINC. “Al diseñar el dispositivo, nos centramos en que fuera flexible, ligero y personalizado para ajustarse a cualquier rostro”.

Alta fidelidad y bajo nivel de ruido

Explica que “técnicamente, el dispositivo ofrece señales de alta fidelidad y bajo nivel de ruido, con gran resistencia al movimiento. Funciona con potencia ultrabaja y requiere tasas mínimas de transmisión de datos”.

Al diseñar el dispositivo, nos centramos en que fuera flexible, ligero y personalizado para ajustarse a cualquier rostro

Nanshu Lu

En la práctica, prosigue, “es ligero, desechable, fácil de llevar y compatible con cascos o gafas, cualidades de las que carecen las configuraciones EEG existentes”.

En investigación cognitiva y formación

Según Lu, “el e-tattoo será útil en entornos de trabajo de alto riesgo, como la aviación, la cirugía o la conducción de larga distancia, donde la monitorización de la tensión mental puede prevenir errores. También tiene potencial en la investigación cognitiva y en entornos de formación”.

Los investigadores probaron el tatuaje en seis participantes que realizaron un reto de memoria con dificultad creciente. A medida que aumentaba la carga mental, los voluntarios mostraron mayor actividad en las ondas cerebrales theta y delta, lo que indica una mayor demanda cognitiva, mientras que la actividad alfa y beta disminuía, lo que señala fatiga mental.

Los resultados indican que el dispositivo puede detectar cuándo el cerebro tiene dificultades. No se limita solo a eso: también puede anticipar la fatiga mental. Los autores entrenaron un modelo informático para estimar la carga cerebral a partir de las señales del tatuaje electrónico, y distinguieron con éxito entre distintos niveles de esfuerzo mental.

También una herramienta predictiva

“Esta no es solo una herramienta de medición, sino también de predicción”, declara Lu a SINC. “Nos interesa que pueda alertar antes de que el cerebro colapse por sobrecarga, algo clave en sectores donde la concentración lo es todo”.

Destaca que, para que la tecnología esté ampliamente disponible, todavía necesitan validar su rendimiento en entornos reales con poblaciones más amplias. “En el futuro, la incorporación de la computación periférica en el tatuaje y la provisión de información en tiempo real también serán muy valiosas para los usuarios finales”.

El coste del sistema es otra de sus ventajas. Según detallan los autores, un equipo EEG tradicional puede superar los 15 000 dólares (unos 13 800 euros), mientras que los chips y el paquete de baterías del tatuaje electrónico cuestan 200 dólares (184 euros), y los sensores desechables, unos 20 dólares (18,40 euros).

Uno de mis deseos es convertir el tatuaje electrónico en un producto que podamos usar en casa

“El hecho de que sea barato lo hace mucho más accesible”, dice el coautor Luis Sentis, de UT Austin. “Uno de mis deseos es convertir el tatuaje electrónico en un producto que podamos usar en casa”.

Aunque el tatuaje electrónico solo funciona sobre piel sin vello, los investigadores trabajan para combinarlo con sensores a base de tinta que funcionen sobre el cabello. Esto permitirá cubrir toda la cabeza y lograr una monitorización cerebral más completa. A medida que los robots y la nueva tecnología se utilizan cada vez más en los lugares de trabajo y en los hogares, el equipo espera que esta tecnología mejore la comprensión de la interacción humano-máquina.

“Durante mucho tiempo hemos monitorizado la salud física de los trabajadores, rastreando lesiones y esfuerzo muscular”, dice Sentis. “Ahora tenemos la capacidad de monitorizar la tensión mental, que no se había rastreado. Esto podría cambiar fundamentalmente la forma en que las organizaciones aseguran el bienestar general de su plantilla”.

No siempre entendemos nuestras emociones, pero no podríamos vivir con normalidad sin ellas. Guían nuestras decisiones y acciones. Sin embargo, cuando son inapropiadas o persisten demasiado, pueden volverse problemáticas.

Pese a sus avances, la neurociencia y la psiquiatría aún comprenden poco sobre la actividad cerebral que da origen a las emociones, cómo nos impulsa y cómo puede enfermarnos.

Ahora, investigadores de Stanford Medicine (EE UU) revelan en un estudio con humanos y ratones que estímulos negativos breves pueden generar patrones emocionales prolongados en el cerebro, lo que ayuda a comprender cómo se forman ciertos estados emocionales duraderos.

El trabajo, publicado en Science, forma parte del proyecto Circuitería Neural Humana de Stanford Medicine y ha descubierto, a través de mediciones cerebrales, que tras un estímulo desagradable breve —como puede ser una ráfaga de aire en el ojo—, el cerebro activa una segunda fase de actividad emocional que se prolonga más allá del estímulo inmediato.

Aunque las conclusiones de la investigación se han centrado en las respuestas a experiencias sensoriales negativas, los científicos creen que el patrón hallado también puede presentarse en experiencias positivas.

La finalidad de las emociones

Evolucionar hasta tener un cerebro más grande significa una vida mental más rica y compleja, pero también tiene sus desventajas. Por ejemplo, la necesidad de un tiempo adicional para que las señales complejas se propaguen, converjan y se integren adecuadamente.

En ese sentido, “las emociones integran grandes cantidades de información y generalizan el comportamiento más allá de las reacciones reflejas inmediatas”, explica Karl Deisseroth, profesor de bioingeniería y de psiquiatría y ciencias del comportamiento en la Universidad de Stanford y autor principal a SINC.

Las emociones integran grandes cantidades de información y generalizan el comportamiento más allá de las reacciones reflejas inmediatas

Karl Deisseroth, líder del trabajo (Stanford Medicine)

Generar patrones duraderos de comportamiento ante un estímulo negativo requiere un tiempo para que las estructuras cerebrales ampliamente distribuidas se comuniquen de forma persistente.

“Ajustar la escala temporal de esta comunicación neuronal podría ser un aspecto clave para el funcionamiento del cerebro”, señala Ethan Richman, coautor del estudio y estudiante del Programa de Posgrado en Neurociencias de Stanford.

“Sin embargo, aún no sabemos qué establece esta propiedad cerebral o cómo podría variar a través de diferentes estados emocionales que pueden tener distintas funciones adaptativas”, explica Richman a SINC.

El investigador compara este proceso con el pedal de resonancia del piano, que prolonga la duración de notas tocadas brevemente. Por eso, una duración demasiado corta o larga de esta comunicación cerebral podría contribuir a trastornos neuropsiquiátricos caracterizados por disfunción emocional.

El ojo como puerta al cerebro

Para llevar a cabo el experimento se adoptó un enfoque comparativo basado en la evolución. Ratones y humanos comparten un ancestro común de hace 70 millones de años. Los científicos se centraron en los principios clave compartidos y analizaron los patrones ante un mismo estímulo generador de emociones, medible de la misma manera y sincronizado con conductas rápidas.

El estímulo desagradable al que estarían expuestos los participantes debía ser seguro, reproducible y aplicable a humanos y ratones. Por ese motivo, escogieron un dispositivo utilizado por los oftalmólogos que genera pequeñas ráfagas de aire en el ojo para medir la presión ocular.

Para registrar la actividad cerebral, el equipo recurrió a personas hospitalizadas con epilepsia severa que ya tenían electrodos previamente implantados por razones clínicas. Estos pacientes, confinados durante una semana mientras se monitoreaban sus crisis epilépticas, aceptaron participar voluntariamente en el estudio.

Un patrón clave

Las respuestas visibles fueron consistentes. Tras cada soplo, los participantes parpadeaban y luego entrecerraban los ojos o parpadeaban rápidamente. Esta respuesta postestímulo fue medible y ofrecía una vía para estudiar conductas emocionales.

Por otro lado, la monitorización de la actividad cerebral registró dos patrones distintivos. El primero, de 200 milisegundos, informaba del estímulo. El segundo, de unos 700 milisegundos, se activaba en circuitos relacionados con las emociones. Este patrón sostenido permitía una ventana temporal extendida para la comunicación cerebral, y parecía estar vinculado al estado emocional.

Tony Liu, coautor e investigador de bioingeniería en Stanford, explica a SINC que “el estado emocional persistente del cerebro se construye en respuesta a las repetidas bocanadas. Se manifiesta, en otras palabras, como un cierre gradual de los ojos, y podría proteger al individuo de nuevos estímulos aversivos”.

Cuando realizaron el mismo experimento en ratones, estos mostraron un patrón similar. Tras una serie de ocho soplos, los roedores presentaron una fase emocional negativa prolongada, evidenciada por una menor búsqueda de recompensas.

Respuesta con y sin ketamina

Adicionalmente, los investigadores suministraron ketamina —un fármaco conocido por su efecto disociativo— tanto a humanos como a ratones, para observar su impacto en las respuestas emocionales ante estímulos negativos.

Deisseroth explica que tras administrar la ketamina con protocolos seguros y consentimiento informado, “los participantes eran conscientes del estímulo, pero no reaccionan emocionalmente como de costumbre”.

Además, el patrón de la actividad cerebral en la segunda fase fue más corto, lo que sugería estar vinculado al estado emocional. “Este tipo de medicamentos disociativos pueden hacer que la fase estabilizadora de la actividad cerebral sea tan efímera que la información no pueda integrarse bien”, explicó Deisseroth. No obstante, esta alteración se revirtió a la hora.

Incluso sin estímulo, la ketamina aceleró el ritmo interno de la actividad cerebral, lo que refuerza la relación entre este patrón y los estados emocionales.

Trastornos neuropsiquiátricos

Los investigadores proponen que estas propiedades temporales ajustables podrían ayudar a clasificar, cuantificar y tratar trastornos neuropsiquiátricos, ya que tendrían un efecto directo en la actividad integradora de emociones. Un mal funcionamiento de esta función, como cuando se administra ketamina, puede impedir la coordinación de información desde distintas regiones cerebrales.

“Nuestro trabajo sugiere que las alteraciones en el acoplamiento de la red podrían tener impactos en la persistencia de los estados emocionales, incluyendo  síntomas emocionales negativos”, explica Liu.

Esto podría tener relación, por ejemplo, con que “las personas con esquizofrenia reportan una percepción de control ajeno, en lugar de autogenerado, sobre sus acciones”, explica Deisseroth.

Por otro lado, la alteración del ritmo de la segunda fase de la actividad cerebral podría dar lugar a estados cerebrales excesivamente estables, como los que ocurren en personas con trastorno de estrés postraumático, trastorno obsesivo-compulsivo, depresión o trastornos alimentarios.

Es asombroso lo que un análisis imparcial del cerebro puede revelar, especialmente con la tecnología adecuada y a lo largo de millones de años de evolución

Karl Deisseroth,

Deisseroth, además, plantea una cuestión interesante: “¿Podría un estado cerebral hiperestabilizado ser responsable de la dificultad para seguir información que cambia rápidamente, como ocurre con el autismo?

Estas son posibilidades que el equipo está explorando. “Es asombroso lo que un análisis imparcial del cerebro puede revelar, especialmente con la tecnología adecuada y a lo largo de millones de años de evolución”.

Además, los factores individuales “parecen ser relevantes para la expresión del estado emocional, lo que podría ayudar a explicar las diferencias individuales en el desarrollo de trastornos, junto con diferentes experiencias de vida, que pueden alterar la interpretación o el impacto de los estados emocionales”, concluye.