Hicimos vibrar lombrices para aprender a conectar los cerebros humanos a un ordenador

Este año, mi colega Andrey Pototsky y yo ganamos el Premio Ig Nobel de Física por un estudio en el que hicimos vibrar lombrices de tierra vivas.

Los Premios Ig Nobel se entregan cada año para premiar a los investigadores científicos cuyos estudios fueron llevados a cabo completamente en serio, pero son tan absurdos o extraños que parecen ser una broma.

Nuestro trabajo ha hecho que la gente se ría y luego piense. A primera vista, se trata de unos investigadores que hacen vibrar un manojo de lombrices de tierra sobre un altavoz. Pero, ¿por qué un físico y un matemático harían algo tan insólito?

Nuestro objetivo es explorar el potencial de una nueva interfaz cerebro-ordenador que pueda conectar la mente con internet mediante unas ondas sonoras poco convencionales. Venga, le enseñaré el laboratorio.

¿Qué hemos hecho?

En primer lugar, sedamos varias lombrices de tierra con alcohol diluido en agua para relajar sus músculos. Después, las hicimos vibrar con un altavoz de subgraves y utilizamos un láser para observar las ondulaciones en la superficie de cada animal.

Estas ondulaciones se conocen como “ondas de Faraday”. En la naturaleza, las ranas utilizan las mismas ondas para atraer a una hembra. También pueden producirse cuando una gota de agua vibra. Cuando la amplitud de la vibración es menor a un cierto umbral, la gota entera se mueve de arriba a abajo. Sin embargo, para valores mayores de este parámetro, también aparecen ondas en la superficie de la gota.

Tras sedar y colocar a una lombriz de tierra en un altavoz, esperábamos que vibrara como una gota de agua, ya que su cuerpo está principalmente formado por este líquido.

Cuando el nivel de volumen del altavoz era bajo, todo el cuerpo de la lombriz se desplazaba de arriba a abajo, de una manera uniforme. Pero cuando subimos el volumen por encima del nivel de “inestabilidad de Faraday”, las ondas de Faraday aparecieron en la superficie de las lombrices, tal y como habíamos previsto.

Cabe destacar que, aunque estas ondulaciones son no lineales y también “inestables”, se pueden programar, después de muchos ciclos de prueba y error, para que se comporten de un modo determinado.

Vale, pero ¿por qué lo hicimos?

La respuesta es: porque investigamos en neurociencia. Sabemos que las neuronas se comunican a través de impulsos electroquímicos. Investigaciones anteriores han sugerido que las señales nerviosas también pueden viajar a través de los nervios como ondas sonoras especiales. Nosotros somos partidarios de esta última hipótesis.

En realidad, las vibraciones sonoras pueden viajar a través de la piel y el hueso del cráneo sin hacer ningún daño grave. Así es cómo se generan las imágenes de ultrasonido. El oído humano percibe frecuencias entre 20 Hz (tono más bajo) a 20 000 Hz (tono más alto). Todos los sonidos por encima esta cifra se califican como ultrasonidos, pero las propiedades físicas de las ondas audibles e inaudibles son muy similares.

Las ondas sonoras pueden formar “solitones”, una onda solitaria que puede recorrer largas distancias sin deformarse. Por ejemplo, ondas acuáticas en canales poco profundos pueden desplazarse como un solitón, como muestra este vídeo.

Los físicos y matemáticos saben que los solitones e inestabilidades de Faraday tienen mucho en común: los dos ocurren cuando se dan ciertas “condiciones de resonancia”. Por eso estimamos que, bajo ciertas condiciones experimentales, se podría generar unos solitones en lombrices de tierra sometidas a una vibración vertical.

Pero es muy difícil detectar solitones en los nervios humanos, porque nuestro sistema nervioso es muy complejo (y, por supuesto, tenemos que seguir la ética de investigación con seres humanos). La lombriz de tierra es un modelo eficaz porque sus fibras nerviosas son bastante grandes y simples, y además ellas se extienden prácticamente a lo largo del cuerpo de la lombriz. Todo esto nos permite a acceder al potencial de acción de una manera cómoda y fácil.

¿Podemos usar las vibraciones ultrasonoras para transmitir señales nerviosas?

Nuestros descubrimientos de las ondas de Faraday en lombrices de tierra vivas podrían ser importantes si futuras investigaciones muestran que ciertos impulsos nerviosos se desplazan por los axones en forma de solitones sonoros.

Esto podría indicar la posibilidad de producir y de modificar las señales nerviosas en el cerebro por medio de ondas de ultrasonido de frecuencias diferentes. Esto abre oportunidades para desencadenar unas ondas de Faraday a nivel de las neuronas. Nosotros creemos que estas ondas podrían interactuar con las señales nerviosas “naturales” del cerebro.

Si los impulsos nerviosos efectivamente viajan por el cerebro en forma de ondas solitarias, deberían conservar su forma original a lo largo de todo el proceso, lo que garantiza la conformidad de la señal transmitida hasta que el cerebro la descodifica.

El potencial para interfaces cerebro ordenador

Ha habido numerosos intentos de conectar el cerebro humano con los dispositivos de inteligencia artificial. Por ejemplo, Neuralink, la empresa de Elon Musk que está intentando conectar de forma directa el cerebro humano con los ordenadores, desarrolla un sistema para implantar muchos electrodos de aguja delgada en el tejido cerebral.

La aplicación de esta nueva tecnología nos permitiría abrir un mundo de posibilidades para la transmisión de los conocimientos –por ejemplo una lengua extranjera– de un ordenador directamente al cerebro de un individuo en pocos minutos. Por supuesto, todavía estamos muy lejos de conseguir algo así.

Sin embargo, este método de comunicación con el cerebro es muy invasivo y complicado, pero además trae riesgos sanitarios tales como la inflamación del tejido cerebral o las lesiones cerebrales.

Creemos que nuestros resultados, a la espera de investigaciones más profundas, podrían contribuir al desarrollo de una interfaz cerebro ordenador más segura y robusta. Un enlace no invasivo, que no necesite electrodos de aguja.

¿Y qué pasa ahora?

De momento no tenemos pruebas sólidas de que las ondas de Faraday puedan interactuar con los impulsos nerviosos naturales de las lombrices de tierra. Pero nuestros modelos sugieren que la fuerza de la interacción entre estas dos ondas puede ser maximizada al hacer coincidir la frecuencia de oscilaciones de las ondas de Faraday con la de los impulsos nerviosos naturales.

Ningún modelo puede predecir la frecuencia óptima de la interacción entre las ondas de Faraday y los impulsos nerviosos. Por eso tendremos que realizar muchas pruebas de ensayo y error para definirla de manera operativa.

Hemos presentado nuestras ideas en varios encuentros neurocientíficos de repercusión. En general, hemos recibido una reacción muy positiva por nuestros colegas. Se espera que nuestros resultados puedan proporcionar información útil para las empresas tecnológicas, así como para nuestros colegas investigadores.

Continuamos con nuestro trabajo.

Este trabajo ha sido financiado por el Consejo Australiano de Investigación (ARC).