Las imágenes motoras en un entorno de realidad virtual tienen amplias aplicaciones en los sistemas de interfaz cerebro-computadora. Este manuscrito describe el uso de avatares digitales personalizados que se asemejan a los participantes realizando movimientos imaginados por el participante en un entorno de realidad virtual para mejorar la inmersión y el sentido de propiedad del cuerpo.
Este estudio presenta un marco innovador para la rehabilitación neurológica mediante la integración de interfaces cerebro-computadora (BCI) y tecnologías de realidad virtual (VR) con la personalización de avatares tridimensionales (3D). Los enfoques tradicionales de la rehabilitación a menudo no logran involucrar completamente a los pacientes, principalmente debido a su incapacidad para brindar una experiencia profundamente inmersiva e interactiva. Esta investigación se esfuerza por llenar este vacío mediante la utilización de técnicas de imágenes motoras (MI), donde los participantes visualizan movimientos físicos sin una ejecución real. Este método aprovecha los mecanismos neuronales del cerebro, activando las áreas involucradas en la ejecución del movimiento al imaginar movimientos, facilitando así el proceso de recuperación. La integración de las capacidades inmersivas de la realidad virtual con la precisión de la electroencefalografía (EEG) para capturar e interpretar la actividad cerebral asociada con movimientos imaginarios forma el núcleo de este sistema. Los gemelos digitales en forma de avatares 3D personalizados se emplean para mejorar significativamente la sensación de inmersión en el entorno virtual. Este mayor sentido de encarnación es crucial para una rehabilitación eficaz, con el objetivo de reforzar la conexión entre el paciente y su contraparte virtual. Al hacerlo, el sistema no solo tiene como objetivo mejorar el rendimiento de las imágenes motoras, sino que también busca brindar una experiencia de rehabilitación más atractiva y eficaz. A través de la aplicación en tiempo real de BCI, el sistema permite la traducción directa de los movimientos imaginados en acciones virtuales realizadas por el avatar 3D, ofreciendo una retroalimentación inmediata al usuario. Este bucle de retroalimentación es esencial para reforzar las vías neuronales implicadas en el control motor y la recuperación. El objetivo final del sistema desarrollado es mejorar significativamente la eficacia de los ejercicios de imágenes motoras haciéndolos más interactivos y sensibles a los procesos cognitivos del usuario, allanando así un nuevo camino en el campo de la rehabilitación neurológica.
Los paradigmas de rehabilitación para pacientes con discapacidades neurológicas están experimentando un cambio transformador con la integración de tecnologías avanzadas como las interfaces cerebro-computadora (BCI) y la realidad virtual inmersiva (VR), que ofrecen un método más matizado y efectivo para fomentar la recuperación. Las imágenes motoras (IM), la técnica central de la rehabilitación basada en la BCI, implican el ensayo mental de movimientos físicos sin una ejecución motora real1. El infarto de miocardio explota un mecanismo neuronal en el que imaginar un movimiento desencadena un patrón de actividad cerebral que se asemeja mucho al de la propia acción física 2,3,4. Específicamente, la participación en el IM conduce a un fenómeno conocido como desincronización relacionada con eventos (ERD) en las bandas de frecuencia alfa (8-13 Hz) y beta (13-25 Hz) de la actividad eléctrica del cerebro 5,6,7. La ERD es indicativa de una supresión de los ritmos cerebrales basales, un patrón que también se observa durante el movimiento real, proporcionando así un sustrato neural para el uso de la IM dentro de los marcos de rehabilitación asistida por BCI7. Tal similitud en la activación cortical entre el IM y el movimiento físico sugiere que el IM puede estimular eficazmente las redes neuronales involucradas en el control motor, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para los pacientes con déficits motores8. Además, la práctica de la IM se ha extendido más allá del mero ensayo mental para incluir estrategias de observación de la acción9. Observar el movimiento de las partes del cuerpo relacionadas con la tarea o las acciones de los demás puede activar la red de neuronas espejo (MNN), un grupo de neuronas que responden tanto a la observación como ala ejecución de la acción. Se ha demostrado que la activación de la MNN a través de la observación induce plasticidad cortical, como lo demuestran varias modalidades de neuroimagen, incluida la resonancia magnética funcional10, la tomografía por emisión de positrones11 y la estimulación magnética transcraneal12. La evidencia apoya la idea de que el entrenamiento de la IM, mejorado por la observación de la acción, puede conducir a una adaptación y recuperación neuronal significativas en los individuos afectados.
La tecnología de realidad virtual ha revolucionado el ámbito de la rehabilitación basada en el IM al ofrecer un entorno inmersivo que mejora el sentido de propiedad del cuerpo y difumina las distinciones entre el mundo real y el virtual 13,14,15. La calidad inmersiva de la RV la convierte en una herramienta eficaz para la observación de la acción y la práctica de la imaginación motora, ya que permite a los participantes percibir el entorno virtual como real15. Las investigaciones han demostrado que los dispositivos de realidad virtual tienen un efecto más pronunciado en el entrenamiento de IM en comparación con las pantallas de monitor 2D tradicionales15,16. Tales hallazgos se evidencian por una mayor actividad neuronal, como el aumento de las relaciones de amplitud de ERD en la corteza sensoriomotora, destacando los beneficios de niveles de inmersión más altos en la estimulación de la actividad cerebral durante los ejercicios de IM guiados visualmente16. El sistema ayuda a mejorar el rendimiento del IM para tareas que involucran movimientos de brazos o extremidades al proporcionar retroalimentación directa, mejorando así el proceso de rehabilitación16,17. La sinergia entre la IM y la RV hace hincapié en la integración de las actividades sensoriales, perceptivas, cognitivas y motoras18,19. La combinación ha sido particularmente beneficiosa para los sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares20,21 y los veteranos de guerra22, ya que los estudios han demostrado que la integración de la RV en los protocolos de rehabilitación basados en el IM puede reducir significativamente el tiempo de rehabilitación y mejorar los resultados de recuperación. La característica única de la RV en la rehabilitación radica en su capacidad para crear una sensación de presencia dentro de un entorno virtual específicamente diseñado, mejorando la experiencia de rehabilitación que se incrementa aún más con la inclusión de avatares virtuales que representan el cuerpo del usuario, que se ha utilizado cada vez más en los estudios de rehabilitación motora23. Estos avatares ofrecen una representación tridimensional realista de los movimientos de las extremidades, lo que ayuda en el infarto de miocardio e impacta significativamente en la activación de la corteza motora. Al permitir que los participantes visualicen a su yo virtual realizando tareas específicas, la realidad virtual no solo enriquece la experiencia de IM, sino que también fomentaun proceso de reorganización y recuperación neuronal más rápido y efectivo. La implementación de avatares virtuales y entornos simulados en el entrenamiento de IM enfatiza el uso natural e integrado de cuerpos virtuales dentro de mundos virtuales inmersivos.
A pesar de las notables ventajas del control basado en BCI de avatares 3D en IM para la rehabilitación, sigue existiendo una limitación significativa en el uso predominante de metodologías fuera de línea. En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones de BCI implican la captura de datos de electroencefalografía (EEG) pregrabados que posteriormente se utilizan para manipular un avatar24,25. Incluso en escenarios en los que se logra el control de avatares en tiempo real, estos avatares suelen ser genéricos y no se parecen a los participantes que representan23. Este enfoque genérico pierde una oportunidad crítica para profundizar la inmersión y el sentido de propiedad del cuerpo, que es crucial para una rehabilitación efectiva24. La creación de un avatar 3D que refleje la semejanza exacta del sujeto podría mejorar significativamente la experiencia inmersiva de la experiencia16. Al visualizarse a sí mismos en el mundo virtual, los participantes podrían fomentar una conexión más fuerte entre sus movimientos imaginarios y reales, lo que podría conducir a patrones de ERD más pronunciados y, por lo tanto, a una adaptacióny recuperación neuronal más efectivas. Al avanzar hacia el control en tiempo real de avatares 3D personalizados, el campo de BCI y VR puede mejorar significativamente los paradigmas de rehabilitación, ofreciendo un método más matizado, atractivo y eficaz para la recuperación del paciente.
El presente manuscrito presenta la creación, el diseño y los aspectos tecnológicos tanto del hardware como del software del control BCI en tiempo real basado en RV de avatares 3D, destacando sus resultados innovadores que apoyan su integración en entornos de rehabilitación motora. El sistema propuesto utilizará electroencefalografía (EEG) para capturar señales de imágenes motoras generadas por el sujeto, que luego se utilizarán para controlar los movimientos y acciones del avatar en tiempo real. El enfoque actual combinará las capacidades avanzadas de la tecnología de realidad virtual con la precisión del EEG en el reconocimiento e interpretación de la actividad cerebral relacionada con los movimientos imaginarios, con el objetivo de crear una interfaz más atractiva y efectiva para que los usuarios interactúen con los entornos digitales a través del poder de sus pensamientos.
La aplicación de la IM junto con la tecnología de realidad virtual ofrece una vía prometedora para la rehabilitación al aprovechar los mecanismos naturales del cerebro para la planificación y ejecución motora. La capacidad de la IM para inducir la desincronización relacionada con eventos en bandas de frecuencia cerebrales específicas, reflejando la actividad neuronal del movimiento físico 2,3,4, proporciona un marco só…
The authors have nothing to disclose.
Los autores quieren agradecer a todos los participantes por su tiempo e implicación.
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OpenBCI Cyton Daisy | OpenBCI | EEG system | |
OpenBCI Gel-free cap | OpenBCI | Gel-free cap for placing the EEG electrodes over the participant's scalp |