Aumentan la percepción humana aplicando ultrasonidos en el cerebro

Los ultrasonidos son ondas acústicas o sonoras cuya frecuencia está por encima del umbral de audición del oído humano (aproximadamente 20.000 Hz). Algunos animales, como los delfines o los murciélagos, los utilizan de forma parecida al radar en su orientación, gracias a un fenómeno conocido como ecolocalización.

Ahora, investigadores del Virginia Tech Carilion Research Institute‎ de Estados Unidos han descubierto que se puede usar el ultrasonido para modular la actividad cerebral humana, en concreto, para aumentar nuestras percepciones sensoriales.

En concreto, los científicos han constatado que aplicando ultrasonidos en una región específica del cerebro es posible aumentar el rendimiento de la discriminación sensorial. Su estudio, publicado en la revista Nature Neuroscience, constituye la primera demostración de que los ultrasonidos de baja intensidad, hechos incidir en el cerebro a través del cráneo, pueden modular la actividad del cerebro humano para mejorar la percepción.

El porqué de la investigación

"El ultrasonido tiene un gran potencial para proporcionar una resolución sin precedentes a la cartografía de la conectividad del cerebro humano", explica William Tyler, director de la investigación en un comunicado del Virginia Tech Carilion Research Institute. Por eso, “decidimos mirar los efectos del ultrasonido en la región del cerebro responsable del procesamiento de estímulos sensoriales táctiles".

Para hacerlo, los científicos se dispusieron a estimular el nervio mediano‎ - un nervio principal que abarca desde el antebrazo hasta la mano-, con un pequeño electrodo colocado en la muñeca de una serie de voluntarios. Justo antes de comenzar con la estimulación, aplicaron ultrasonido en un área de la corteza cerebral que se corresponde con el procesamiento de la información sensorial que recibimos de las manos.

Asimismo, registraron las respuestas cerebrales de los participantes en el proceso, usando una técnica de exploración neurofisiológica que se basa en el registro de la actividad bioeléctrica cerebral, la electroencefalografía o EEG. Esta ecografía mostró que el ultrasonido había provocado una disminución en la señal EEG y había debilitado las ondas cerebrales responsables de la codificación de la estimulación táctil.

A continuación, los científicos realizaron dos pruebas neurológicas clásicas: la prueba de la discriminación de dos puntos, que mide la capacidad de un sujeto para distinguir si dos objetos cercanos que tocan la piel al mismo tiempo son dos objetos distintos en lugar de uno; y la tarea de discriminación de frecuencias, una prueba que mide la sensibilidad para detectar dos frecuencias distintas en ráfagas de aire.

Resultados paradójicos

Lo que los científicos descubrieron en ese momento fue inesperado: Los sujetos a los que se les había aplicado el ultrasonido mostraron mejoras significativas en su capacidad para distinguir los objetos que tocaban, situados entre sí a las distancias más cortas; y para discriminar pequeñas diferencias de frecuencia entre ráfagas de aire sucesivas.

"Nuestras observaciones nos sorprendieron", reconoce Tyler. "A pesar de que las ondas cerebrales asociadas con la estimulación táctil se habían debilitado (por efecto de los ultrasonidos), los voluntarios realmente rindieron mejor en la detección de diferencias en las sensaciones".

¿Por qué la supresión de las respuestas del cerebro a la estimulación sensorial aumenta la percepción? Tyler especula que el ultrasonido afectó a un importante equilibrio neurológico. "Parece una paradoja, pero sospechamos que la forma de onda de ultrasonido en particular utilizada para el estudio altera el equilibrio de la inhibición sináptica y la excitación entre neuronas cercanas, dentro de la corteza cerebral", explica.

"Creemos que los ultrasonidos enfocados cambiaron el equilibrio de excitación permanente y el procesamiento de la inhibición de estímulos sensoriales en esa región cerebral específica, y que este cambio impidió la propagación espacial de la excitación en respuesta a los estímulos, lo que resultó en una mejora funcional de la percepción."

Modulación cerebral con una resolución sin precedentes

Para entender hasta qué punto se podía controlar este efecto, el equipo de investigación trasladó la incidencia del haz de ultrasonidos un centímetro, en cualquier dirección desde el sitio en que originalmente realizaron la estimulación cerebral. El efecto inicial desapareció.

"Eso significa que podemos utilizar el ultrasonido en una zona del cerebro tan pequeña como un caramelo", señala Tyler. "Este hallazgo representa una nueva manera no invasiva de modulación de la actividad del cerebro humano, con una resolución espacial superior a la de cualquier otra herramienta disponible actualmente".

A partir de estos resultados, los investigadores concluyen que el ultrasonido tiene una resolución espacial mayor que otras dos tecnologías esenciales para la estimulación cerebral no invasiva: la estimulación magnética transcraneal (que utiliza imanes para activar el cerebro) , y la estimulación transcraneal de corriente directa, en la que se aplican corrientes eléctricas débiles directamente al cerebro a través de electrodos colocados en la cabeza.

"Lograr una mejor comprensión de cómo el ultrasonido afecta el equilibrio de la inhibición sináptica y a la excitación en regiones cerebrales específicas nos ayudará a hacer mapas más precisos de los circuitos sinápticos masivamente interconectados del cerebro humano", señala por su parte Wynn Legon, otro de los autores del estudio. "Esperamos seguir ampliando las capacidades del ultrasonido para ajustar de forma no invasiva los circuitos cerebrales y para ayudarnos a entender cómo funciona el cerebro humano".

Referencia bibliográfica:

Wynn Legon, Tomokazu F Sato, Alexander Opitz, Jerel Mueller, Aaron Barbour, Amanda Williams, William J Tyler. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans . Nature Neuroscience (2014). DOI: 10.1038/nn.3620.