Se considera que descifrar el código Enigma alemán es uno de los factores decisivos que aceleraron la victoria de los Aliados en la Segunda Guerra Mundial. Comenzando con pistas derivadas del espionaje, los científicos informáticos pudieron resolver las reglas que convirtieron una serie de caracteres galimatizados en simplesAlemán, proporcionando inteligencia para salvar vidas y acortar la guerra.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Northwestern han logrado una hazaña similar, utilizando técnicas criptográficas para decodificar la actividad de las neuronas motoras. Su enfoque les ha permitido predecir, a partir de datos cerebrales, y con un conocimiento genérico de los movimientos típicos, en qué dirección moverán los brazos los monos.
La misma técnica inspirada en la criptografía podría eventualmente usarse para decodificar patrones más complejos de activación muscular, para usar en dispositivos protésicos, o incluso en el habla, para ayudar a aquellos con parálisis total.
El equipo de investigación fue dirigido por Konrad Kording, profesor de Penn Integrates Knowledge con nombramientos en el Departamento de Neurociencia de la Facultad de Medicina Perelman de Penn y en el Departamento de Bioingeniería de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y Eva Dyer, entonces unainvestigador postdoctoral en el laboratorio de Kording y ahora profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Biomédica del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Emory. Colaboraron con el grupo de Lee Miller, profesor de fisiología en la Universidad de Northwestern.
Los investigadores publicaron su estudio en la revista Ingeniería Biomédica de la Naturaleza .
En un experimento con tres macacos rhesus, los investigadores tomaron datos de varios cientos de neuronas asociadas con el movimiento del brazo. A medida que los monos completaban tareas en las que tenían que alcanzar un objetivo que aparecía en diferentes puntos alrededor de un punto de partida central,Los electrodos registraron picos de actividad eléctrica que se correspondían con el movimiento del brazo del mono.
Las interfaces cerebro-computadora existentes pueden usar estos datos para mover una prótesis robótica, pero hacerlo mediante un proceso conocido como "aprendizaje supervisado". La interfaz está entrenada para reconocer cómo los patrones de descargas neuronales corresponden a cada movimiento y, por lo tanto, puede"reconstruir" movimientos basados en las señales neuronales en curso grabadas desde el cerebro del mono.
En el enfoque de criptografía, sin embargo, no existía tal capacitación supervisada.
"En criptografía, el 'aprendizaje supervisado' se llamaría un 'ataque de texto plano conocido'", dijo Kording. Es decir, tenemos el mensaje cifrado y no cifrado y solo necesitamos descubrir las reglas que convierten uno en el otro. Lo que queríamos hacer en este estudio era poder decodificar el cerebro, utilizando un modelo de movimiento, solo a partir del mensaje cifrado ".
Comenzando con el patrón de activación de cada neurona, el objetivo del equipo era descubrir una forma consistente de mapear matemáticamente esos patrones con los movimientos reales de los brazos de los monos. Su enfoque fue posible al encontrar estructuras estadísticas de movimientos. Conocimientos similares sobre la estructura del lenguaje, comocomo la frecuencia y distribución de las vocales, participaron en la ruptura del código Enigma.
"Básicamente, el algoritmo prueba una variedad de decodificadores posibles hasta que obtenemos algo en el que la salida parece movimientos típicos", dijo Kording. "Hay problemas para escalar esto, es un problema de informática difícil, pero esto es unprueba de concepto de que el criptoanálisis puede funcionar en el contexto de la actividad neuronal ".
Un enfoque de criptoanálisis para decodificar la actividad neuronal es particularmente atractivo cuando se trata de interfaces cerebro-computadora que controlan las prótesis. Tener extremidades robóticas que puedan interpretar directamente los pensamientos del usuario sin tener que calibrarse representaría una mejora significativa en la calidad de vida.
"Estos períodos de entrenamiento pueden ser largos y molestos y, en algunas circunstancias, son realmente problemáticos, por ejemplo, si le falta el brazo, en lugar de estar paralizado", dijo Kording. "El movimiento voluntario es diferente de imaginar el movimiento de un brazo inexistentebrazo."
Este enfoque de criptoanálisis podría proporcionar una forma para que las interfaces cerebro-computadora logren una lectura mental literal.
"Podría pedirle a un paciente 'encerrado' que genere patrones neuronales asociados con palabras específicas, pero el corpus del lenguaje es muy grande", dijo Kording. "En lugar de hacer que generen un patrón que esté asociado con cada palabraquiero decir, podríamos construir un decodificador que transforme esos patrones hasta que parezca un lenguaje ".
"Creo que deberíamos poder hacer esto en la próxima década", dijo.
Trabajar a favor de este objetivo es una mejora constante en la tecnología de grabación del cerebro, y los científicos están trabajando actualmente en conjuntos de electrodos capaces de muestrear simultáneamente datos de un millón de neuronas.
"A medida que esta capacidad crece, nuestra técnica se vuelve más útil", dijo Kording, "Al mismo tiempo, creo que debemos tener mucho cuidado con la posibilidad de que se aplique a personas sin su consentimiento. Qué podrían hacer las agencias de espionajecon esta tecnología da miedo ".
Aunque en una etapa muy preliminar, los investigadores creen que su enfoque de criptoanálisis para decodificar la actividad neuronal es fundamentalmente una buena combinación para el problema.
"Los alemanes estaban trabajando activamente contra el descifrado y los textos cifrados modernos son básicamente imposibles de descifrar", dijo Kording. "Lo tenemos más fácil. El cerebro terminó con este sistema de cifrado a través de la selección natural, por lo que esencialmente está haciendo el mismo tipo de"errores 'que nos permitieron descifrar Enigma en primer lugar ".
El trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares a través de las subvenciones R01 NS053603 y R01 NS074044.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Pennsylvania . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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