Brain-Computer Interfaces: Desarrollo de un sistema de identificación de estados mentales alfa

En el mundo actual las aplicaciones basadas en sistemas biométricos, es decir, aquellas que miden las señales eléctricas de nuestro organismo, están creciendo a un gran ritmo. Todos estos sistemas incorporan sensores biomédicos, que ayudan a los usuarios a controlar mejor diferentes aspectos de la rutina diaria, como podría ser llevar un seguimiento detallado de una rutina deportiva, o de la calidad de los alimentos que ingerimos. Entre estos sistemas biométricos, los que se basan en la interpretación de las señales cerebrales, mediante ensayos de electroencefalografía o EEG están cogiendo cada vez más fuerza para el futuro, aunque están todavía en una situación bastante incipiente, debido a la elevada complejidad del cerebro humano, muy desconocido para los científicos hasta el siglo XXI. Por estas razones, los dispositivos que utilizan la interfaz cerebro-máquina, también conocida como BCI (Brain Computer Interface), están cogiendo cada vez más popularidad. El funcionamiento de un sistema BCI consiste en la captación de las ondas cerebrales de un sujeto para después procesarlas e intentar obtener una representación de una acción o de un pensamiento del individuo. Estos pensamientos, correctamente interpretados, son posteriormente usados para llevar a cabo una acción. Ejemplos de aplicación de sistemas BCI podrían ser mover el motor de una silla de ruedas eléctrica cuando el sujeto realice, por ejemplo, la acción de cerrar un puño, o abrir la cerradura de tu propia casa usando un patrón cerebral propio. Los sistemas de procesamiento de datos están evolucionando muy rápido con el paso del tiempo. Los principales motivos son la alta velocidad de procesamiento y el bajo consumo energético de las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Además, las FPGAs cuentan con una arquitectura reconfigurable, lo que las hace más versátiles y potentes que otras unidades de procesamiento como las CPUs o las GPUs.En el CEI (Centro de Electrónica Industrial), donde se lleva a cabo este TFG, se dispone de experiencia en el diseño de sistemas reconfigurables en FPGAs. Este TFG es el segundo de una línea de proyectos en la cual se busca obtener un sistema capaz de procesar correctamente señales cerebrales, para llegar a un patrón común que nos permita actuar en consecuencia. Más concretamente, se busca detectar cuando una persona está quedándose dormida a través de la captación de unas ondas cerebrales, conocidas como ondas alfa, cuya frecuencia está acotada entre los 8 y los 13 Hz. Estas ondas, que aparecen cuando cerramos los ojos y dejamos la mente en blanco, representan un estado de relajación mental. Por tanto, este proyecto comienza como inicio de un sistema global de BCI, el cual servirá como primera toma de contacto con el procesamiento de las ondas cerebrales, para el posterior uso de hardware reconfigurable sobre el cual se implementarán los algoritmos evolutivos. Por ello se vuelve necesario desarrollar un sistema de procesamiento de datos en una FPGA. Estos datos se procesan siguiendo la metodología de procesamiento digital de señales, y en este caso se realiza un análisis de la frecuencia utilizando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Una vez desarrollado el sistema de procesamiento de los datos, se integra con otro sistema que se encarga de captar los datos recogidos por un ADC (Analog to Digital Converter), conocido como ADS1299. Este ADC está especialmente diseñado para captar potenciales del cerebro humano. De esta forma, el sistema final capta los datos mediante el ADS1299, y los envía a la FPGA que se encarga de procesarlos. La interpretación es realizada por los usuarios que analizan posteriormente los datos procesados. Para el desarrollo del sistema de procesamiento de los datos, se dispone primariamente de dos plataformas de estudio, a partir de las cuales se captarán los datos para después realizar el procesamiento: 1. La primera consiste en una herramienta comercial desarrollada y distribuida por OpenBCI, proyecto que se dedica a la venta de hardware para la realización de EEG, así como otros ensayos. Esta herramienta está formada por un microprocesador, un módulo de memoria SD para el almacenamiento de datos, y un módulo de comunicación inalámbrica que transmite los datos por Bluetooth. Además cuenta con el mencionado ADC ADS1299. Esta plataforma ofrece una interfaz gráfica que sirve para realizar la investigación previa al diseño del sistema de procesamiento, al permitir tener una primera toma de contacto con el sistema. 2. La segunda plataforma consiste en un kit de evaluación para el ADS1299, desde la cual se pueden acceder a los diferentes puertos de control a través de los pines de comunicación del ADC. Esta plataforma se conectará con la FPGA en el sistema integrado. Para entender cómo funcionan las ondas más simples del cerebro, así como saber cuáles son los requisitos mínimos en el análisis de ondas EEG se realizaron diferentes consultas con el Dr Ceferino Maestu, neurofisiólogo del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la UPM. Él se encargó de introducirnos en los distintos procedimientos en el análisis de ondas en electroencefalogramas, así como la forma en que se deben de colocar los electrodos en el cráneo. Para terminar con la investigación previa, se realiza en MATLAB un primer modelo de procesamiento de los datos. Una característica muy importante de las ondas cerebrales es la aleatoriedad de las mismas, de forma que el análisis en el dominio del tiempo se vuelve muy complejo. Por ello, el paso más importante en el procesamiento de los datos es el paso del dominio temporal al dominio de la frecuencia, mediante la aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform), donde se pueden analizar con mayor precisión los datos recogidos. El modelo desarrollado en MATLAB se utiliza para obtener los primeros resultados del sistema de procesamiento, el cual sigue los siguientes pasos. 1. Se captan los datos desde los electrodos y se escriben en una tabla de datos. 2. Se leen los datos de la tabla. 3. Se elige el tamaño temporal de la muestra a procesar. 4. Se aplica una ventana para evitar las discontinuidades al principio y al final del bloque analizado. 5. Se completa la muestra a convertir con con zero-padding en el dominio del tiempo. 6. Se aplica la FFT al bloque analizado con ventana y zero-padding. 7. Los resultados se llevan a una gráfica para ser analizados. Llegados a este punto, se observa que la captación de ondas alfas resulta muy viable. Aunque es cierto que se presentan ciertos problemas a la hora de interpretar los datos debido a la baja resolución temporal de la plataforma de OpenBCI, este es un problema que se soluciona en el modelo desarrollado, al permitir el kit de evaluación (sistema de captación de datos) actuar sobre la velocidad de captación de los datos, es decir la frecuencia de muestreo, lo que afectará directamente a esta precisión. Una vez llevado a cabo el primer procesamiento y su posterior análisis de los resultados obtenidos, se procede a realizar un modelo en Hardware que siga los mismos pasos que el desarrollado en MATLAB, en la medida que esto sea útil y viable. Para ello se utiliza el programa XPS (Xilinx Platform Studio) contenido en la herramienta EDK (Embedded Development Kit), que nos permite diseñar un sistema embebido. Este sistema cuenta con: Un microprocesador de tipo soft-core llamado MicroBlaze, que se encarga de gestionar y controlar todo el sistema; Un bloque FFT que se encarga de realizar la transformada rápida Fourier; Cuatro bloques de memoria BRAM, donde se almacenan los datos de entrada y salida del bloque FFT y un multiplicador para aplicar la ventana a los datos de entrada al bloque FFT; Un bus PLB, que consiste en un bus de control que se encarga de comunicar el MicroBlaze con los diferentes elementos del sistema. Tras el diseño Hardware se procede al diseño Software utilizando la herramienta SDK(Software Development Kit).También en esta etapa se integra el sistema de captación de datos, el cual se controla mayoritariamente desde el MicroBlaze. Por tanto, desde este entorno se programa el MicroBlaze para gestionar el Hardware que se ha generado. A través del Software se gestiona la comunicación entre ambos sistemas, el de captación y el de procesamiento de los datos. También se realiza la carga de los datos de la ventana a aplicar en la memoria correspondiente. En las primeras etapas de desarrollo del sistema, se comienza con el testeo del bloque FFT, para poder comprobar el funcionamiento del mismo en Hardware. Para este primer ensayo, se carga en la BRAM los datos de entrada al bloque FFT y en otra BRAM los datos de la ventana aplicada. Los datos procesados saldrán a dos BRAM, una para almacenar los valores reales de la transformada y otra para los imaginarios. Tras comprobar el correcto funcionamiento del bloque FFT, se integra junto al sistema de adquisición de datos. Posteriormente se procede a realizar un ensayo de EEG real, para captar ondas alfa. Por otro lado, y para validar el uso de las FPGAs como unidades ideales de procesamiento, se realiza una medición del tiempo que tarda el bloque FFT en realizar la transformada. Este tiempo se compara con el tiempo que tarda MATLAB en realizar la misma transformada a los mismos datos. Esto significa que el sistema desarrollado en Hardware realiza la transformada rápida de Fourier 27 veces más rápido que lo que tarda MATLAB, por lo que se puede ver aquí la gran ventaja competitiva del Hardware en lo que a tiempos de ejecución se refiere. En lo que al aspecto didáctico se refiere, este TFG engloba diferentes campos. En el campo de la electrónica:  Se han mejorado los conocimientos en MATLAB, así como diferentes herramientas que ofrece como FDATool (Filter Design Analysis Tool).  Se han adquirido conocimientos de técnicas de procesado de señal, y en particular, de análisis espectral.  Se han mejorado los conocimientos en VHDL, así como su uso en el entorno ISE de Xilinx.  Se han reforzado los conocimientos en C mediante la programación del MicroBlaze para el control del sistema.  Se ha aprendido a crear sistemas embebidos usando el entorno de desarrollo de Xilinx usando la herramienta EDK (Embedded Development Kit). En el campo de la neurología, se ha aprendido a realizar ensayos EEG, así como a analizar e interpretar los resultados mostrados en el mismo. En cuanto al impacto social, los sistemas BCI afectan a muchos sectores, donde destaca el volumen de personas con discapacidades físicas, para los cuales, este sistema implica una oportunidad de aumentar su autonomía en el día a día. También otro sector importante es el sector de la investigación médica, donde los sistemas BCIs son aplicables en muchas aplicaciones como, por ejemplo, la detección y estudio de enfermedades cognitivas.

Demonstration of an interferon γ-dependent tumor surveillance system in immunocompetent mice

This study demonstrates that endogenously produced interferon γ (IFN-γ) forms the basis of a tumor surveillance system that controls development of both chemically induced and spontaneously arising tumors in mice. Compared with wild-type mice, mice lacking sensitivity to either IFN-γ (i.e., IFN-γ receptor-deficient mice) or all IFN family members (i.e., Stat1-deficient mice) developed tumors more rapidly and with greater frequency when challenged with different doses of the chemical carcinogen methylcholanthrene. In addition, IFN-γ-insensitive mice developed tumors more rapidly than wild-type mice when bred onto a background deficient in the p53 tumor-suppressor gene. IFN-γ-insensitive p53−/− mice also developed a broader spectrum of tumors compared with mice lacking p53 alone. Using tumor cells derived from methylcholanthrene-treated IFN-γ-insensitive mice, we found IFN-γ’s actions to be mediated at least partly through its direct effects on the tumor cell leading to enhanced tumor cell immunogenicity. The importance and generality of this system is evidenced by the finding that certain types of human tumors become selectively unresponsive to IFN-γ. Thus, IFN-γ forms the basis of an extrinsic tumor-suppressor mechanism in immunocompetent hosts.

Efficient recruitment of TFIIB and CBP-RNA polymerase II holoenzyme by an interferon-β enhanceosome in vitro

The transcriptional activity of an in vitro assembled human interferon-β gene enhanceosome is highly synergistic. This synergy requires five distinct transcriptional activator proteins (ATF2/c-JUN, interferon regulatory factor 1, and p50/p65 of NF-κB), the high mobility group protein HMG I(Y), and the correct alignment of protein-binding sites on the face of the DNA double helix. Here, we investigate the mechanisms of enhanceosome-dependent transcriptional synergy during preinitiation complex assembly in vitro. We show that the stereospecific assembly of the enhanceosome is critical for the efficient recruitment of TFIIB into a template-committed TFIID-TFIIA-USA (upstream stimulatory activity complex) and for the subsequent recruitment of the RNA polymerase II holoenzyme complex. In addition, we provide evidence that recruitment of the holoenzyme by the enhanceosome is due, at least in part, to interactions between the enhanceosome and the transcriptional coactivator CREB, cAMP responsive element binding protein (CBP). These studies reveal a unique role of enhanceosomes in the cooperative assembly of the transcription machinery on the human interferon-β promoter.

Pig but not human interferon-γ initiates human cell-mediated rejection of pig tissue in vivo

Split-thickness pig skin was transplanted on severe combined immunodeficient mice so that pig dermal microvessels spontaneously inosculated with mouse microvessels and functioned to perfuse the grafts. Pig endothelial cells in the healed grafts constitutively expressed class I and class II major histocompatibility complex molecules. Major histocompatibility complex molecule expression could be further increased by intradermal injection of pig interferon-γ (IFN-γ) but not human IFN-γ or tumor necrosis factor. Grafts injected with pig IFN-γ also developed a sparse infiltrate of mouse neutrophils and eosinophils without evidence of injury. Introduction of human peripheral blood mononuclear cells into the animals by intraperitoneal inoculation resulted in sparse perivascular mononuclear cell infiltrates in the grafts confined to the pig dermis. Injection of pig skin grafts on mice that received human peripheral blood mononuclear cells with pig IFN-γ (but not human IFN-γ or heat-inactivated pig IFN-γ) induced human CD4+ and CD8+ T cells and macrophages to more extensivley infiltrate the pig skin grafts and injure pig dermal microvessels. These findings suggest that human T cell-mediated rejection of xenotransplanted pig organs may be prevented if cellular sources of pig interferon (e.g., passenger lymphocytes) are eliminated from the graft.

Down-regulation of interferon γ-activated STAT1 by UV light

STAT1 is a cytoplasmic transcription factor that is phosphorylated by Janus kinases (Jak) in response to interferon-γ (IFNγ). Phosphorylated STAT1 translocates to the nucleus, where it turns on specific sets of IFNγ-inducible genes. Here, we show that UV light interferes with tyrosine phosphorylation of STAT1, thereby hindering IFNγ from exerting its biological effects. This effect is not due to a down-regulation of the IFNγ receptor because phosphorylation of upstream-located Jak1 and Jak2 was not suppressed by UV light. In contrast, UV light had no effect on the phosphorylation of STAT3, which is activated by the proinflammatory cytokine interleukin 6. The UV light effect on STAT1 phosphorylation could be antagonized by vanadate, indicating at least partial involvement of a protein tyrosine phosphatase. Therefore, this study indicates a mechanism by which UV light can inhibit gene activation and suggests STAT1 as a new extranuclear UV target closely located to the membrane.

Interferon β transduction of peripheral blood lymphocytes from HIV-infected donors increases Th1-type cytokine production and improves the proliferative response to recall antigens

We are developing a gene therapy method of HIV infection based on the constitutive low production of interferon (IFN) β. Peripheral blood lymphocytes (PBL) from HIV-infected patients at different clinical stages of infection were efficiently transduced with the HMB-HbHuIFNβ retroviral vector. The constitutive low production of IFN-β in cultured PBL from HIV-infected patients resulted in a decreased viral production and an enhanced survival of CD4+ cells, and this protective effect was observed only in the PBL derived from donors having a CD4+ cell count above 200 per mm3. In IFN-β-transduced PBL from healthy and from HIV-infected donors, the production of the Th1-type cytokines IFN-γ and interleukin (IL)-12 was enhanced. In IFN-β-transduced PBL from HIV-infected donors, the production of IL-4, IL-6, IL-10, and tumor necrosis factor α was maintained at normal levels, contrary to the increased levels produced by the untransduced PBL. The proliferative response to recall antigens was partially restored in IFN-β-transduced PBL from donors with an impaired antigen response. Thus, in addition to inhibiting HIV replication, IFN-β transduction of PBL from HIV-infected donors improves several parameters of immune function.

The crystal structure of human interferon β at 2.2-Å resolution

Type I interferons (IFNs) are helical cytokines that have diverse biological activities despite the fact that they appear to interact with the same receptor system. To achieve a better understanding of the structural basis for the different activities of α and β IFNs, we have determined the crystal structure of glycosylated human IFN-β at 2.2-Å resolution by molecular replacement. The molecule adopts a fold similar to that of the previously determined structures of murine IFN-β and human IFN-α2b but displays several distinct structural features. Like human IFN-α2b, human IFN-β contains a zinc-binding site at the interface of the two molecules in the asymmetric unit, raising the question of functional relevance for IFN-β dimers. However, unlike the human IFN-α2b dimer, in which homologous surfaces form the interface, human IFN-β dimerizes with contact surfaces from opposite sides of the molecule. The relevance of the structure to the effects of point mutations in IFN-β at specific exposed residues is discussed. A potential role of ligand–ligand interactions in the conformational assembly of IFN receptor components is discussed.

The amino-terminal region of Tyk2 sustains the level of interferon α receptor 1, a component of the interferon α/β receptor

Tyk2 belongs to the Janus kinase (JAK) family of receptor associated tyrosine kinases, characterized by a large N-terminal region, a kinase-like domain and a tyrosine kinase domain. It was previously shown that Tyk2 contributes to interferon-α (IFN-α) signaling not only catalytically, but also as an essential intracellular component of the receptor complex, being required for high affinity binding of IFN-α. For this function the tyrosine kinase domain was found to be dispensable. Here, it is shown that mutant cells lacking Tyk2 have significantly reduced IFN-α receptor 1 (IFNAR1) protein level, whereas the mRNA level is unaltered. Expression of the N-terminal region of Tyk2 in these cells reconstituted wild-type IFNAR1 level, but did not restore the binding activity of the receptor. Studies of mutant Tyk2 forms deleted at the N terminus indicated that the integrity of the N-terminal region is required to sustain IFNAR1. These studies also showed that the N-terminal region does not directly modulate the basal autophosphorylation activity of Tyk2, but it is required for efficient in vitro IFNAR1 phosphorylation and for rendering the enzyme activatable by IFN-α. Overall, these results indicate that distinct Tyk2 domains provide different functions to the receptor complex: the N-terminal region sustains IFNAR1 level, whereas the kinase-like domain provides a function toward high affinity ligand binding.

The interferon-inducible murine p48 (ISGF3γ) gene is regulated by protooncogene c-myc

p48 protein is an integral component of the multimeric interferon (IFN)-regulated transcription factor, ISGF3. We have shown earlier that this gene is regulated by a novel IFN-γ-regulated element. In addition to the IFN-regulated element, a myc–max binding site is also present in this promoter. In this investigation we have studied the role of this site in the regulation of the p48 gene. In serum-induced quiescent cells Myc up-regulated the expression of p48 mRNA. We show that the protooncogene Myc regulates the expression of p48 through the element CACGTG. Mutations in this motif abolish Myc-inducibility of the reporter genes carrying p48 promoter elements. Purified Myc and Max proteins interact with the Myc-stimulated element of the p48 promoter. We also show that cells lacking p48 expression are highly susceptible to the cytocidal action of anticancer drugs. Taken together these data suggest that p48 may function as an anti-stress cell survival factor.

Cloning of a gene (RIG-G) associated with retinoic acid-induced differentiation of acute promyelocytic leukemia cells and representing a new member of a family of interferon-stimulated genes

In a cell line (NB4) derived from a patient with acute promyelocytic leukemia, all-trans-retinoic acid (ATRA) and interferon (IFN) induce the expression of a novel gene we call RIG-G (for retinoic acid-induced gene G). This gene codes for a 58-kDa protein containing 490 amino acids with several potential sites for post-translational modification. In untreated NB4 cells, the expression of RIG-G is undetectable. ATRA treatment induces the transcriptional expression of RIG-G relatively late (12–24 hr) in a protein synthesis-dependent manner, whereas IFN-α induces its expression early (30 min to 3 hr). Database search has revealed a high-level homology between RIG-G and several IFN-stimulated genes in human (ISG54K, ISG56K, and IFN-inducible and retinoic acid-inducible 58K gene) and some other species, defining a well conserved gene family. The gene is composed of two exons and has been mapped by fluorescence in situ hybridization to chromosome 10q24, where two other human IFN-stimulated gene members are localized. A synergistic induction of RIG-G expression in NB4 cells by combined treatment with ATRA and IFNs suggests that a collaboration exists between their respective signaling pathways.

A transient expansion of the native state precedes aggregation of recombinant human interferon-γ

Aggregation of proteins, even under conditions favoring the native state, is a ubiquitous problem in biotechnology and biomedical engineering. Providing a mechanistic basis for the pathways that lead to aggregation should allow development of rational approaches for its prevention. We have chosen recombinant human interferon-γ (rhIFN-γ) as a model protein for a mechanistic study of aggregation. In the presence of 0.9 M guanidinium hydrochloride, rhIFN-γ aggregates with first order kinetics, a process that is inhibited by addition of sucrose. We describe a pathway that accounts for both the observed first-order aggregation of rhIFN-γ and the effect of sucrose. In this pathway, aggregation proceeds through a transient expansion of the native state. Sucrose shifts the equilibrium within the ensemble of rhIFN-γ native conformations to favor the most compact native species over more expanded ones, thus stabilizing rhIFN-γ against aggregation. This phenomenon is attributed to the preferential exclusion of sucrose from the protein surface. In addition, kinetic analysis combined with solution thermodynamics shows that only a small (9%) expansion surface area is needed to form the transient native state that precedes aggregation. The approaches used here link thermodynamics and aggregation kinetics to provide a powerful tool for understanding both the pathway of protein aggregation and the rational use of excipients to inhibit the process.

Interferon-β gene therapy inhibits tumor formation and causes regression of established tumors in immune-deficient mice

Despite the potential of type 1 interferons (IFNs) for the treatment of cancer, clinical experience with IFN protein therapy of solid tumors has been disappointing. IFN-β has potent antiproliferative activity against most human tumor cells in vitro in addition to its known immunomodulatory activities. The antiproliferative effect, however, relies on IFN-β concentrations that cannot be achieved by parenteral protein administration because of rapid protein clearance and systemic toxicities. We demonstrate here that ex vivo IFN-β gene transduction by a replication-defective adenovirus in as few as 1% of implanted cells blocked tumor formation. Direct in vivo IFN-β gene delivery into established tumors generated high local concentrations of IFN-β, inhibited tumor growth, and in many cases caused complete tumor regression. Because the mice were immune-deficient, it is likely that the anti-tumor effect was primarily through direct inhibition of tumor cell proliferation and survival. Based on these studies, we argue that local IFN-β gene therapy with replication-defective adenoviral vectors might be an effective treatment for some solid tumors.

Inhibition of interferon γ induced interleukin 12 production: A potential mechanism for the anti-inflammatory activities of tumor necrosis factor

Inflammation is associated with production of cytokines and chemokines that recruit and activate inflammatory cells. Interleukin (IL) 12 produced by macrophages in response to various stimuli is a potent inducer of interferon (IFN) γ production. IFN-γ, in turn, markedly enhances IL-12 production. Although the immune response is typically self-limiting, the mechanisms involved are unclear. We demonstrate that IFN-γ inhibits production of chemokines (macrophage inflammatory proteins MIP-1α and MIP-1β). Furthermore, pre-exposure to tumor necrosis factor (TNF) inhibited IFN-γ priming for production of high levels of IL-12 by macrophages in vitro. Inhibition of IL-12 by TNF can be mediated by both IL-10-dependent and IL-10-independent mechanisms. To determine whether TNF inhibition of IFN-γ-induced IL-12 production contributed to the resolution of an inflammatory response in vivo, the response of TNF+/+ and TNF−/− mice injected with Corynebacterium parvum were compared. TNF−/− mice developed a delayed, but vigorous, inflammatory response leading to death, whereas TNF+/+ mice exhibited a prompt response that resolved. Serum IL-12 levels were elevated 3-fold in C. parvum-treated TNF−/− mice compared with TNF+/+ mice. Treatment with a neutralizing anti-IL-12 antibody led to resolution of the response to C. parvum in TNF−/− mice. We conclude that the role of TNF in limiting the extent and duration of inflammatory responses in vivo involves its capacity to regulate macrophage IL-12 production. IFN-γ inhibition of chemokine production and inhibition of IFN-γ-induced IL-12 production by TNF provide potential mechanisms by which these cytokines can exert anti-inflammatory/repair function(s).