Potenciales Relacionados con Eventos (ERP)

En el vasto y complejo universo de la neurociencia, entender cómo el cerebro procesa la información en respuesta a eventos específicos es fundamental. Una de las herramientas más poderosas y utilizadas para lograrlo son los Potenciales Relacionados con Eventos, conocidos por sus siglas en inglés como ERP (Event-Related Potentials).

Los ERPs representan cambios en la actividad eléctrica del cerebro que ocurren de forma transitoria y están directamente ligados a la presentación de un estímulo particular o a la ejecución de una acción específica. A diferencia de la actividad cerebral espontánea, los ERPs son respuestas evocadas, es decir, provocadas por un evento externo o interno.

¿Qué son Exactamente los Potenciales Relacionados con Eventos (ERP)?

Según la definición de Regan (1989), un ERP es un complejo de onda transitoria provocado por un cierto estímulo o evento que, para ser precisos, se repite solo una vez. El promedio de estos ERPs transitorios refleja una respuesta verdadera si los mecanismos cerebrales relevantes estaban en sus estados de reposo antes de cada estímulo y regresan a ellos antes del siguiente. En consecuencia, se asume que la respuesta ERP a un solo evento no depende de uno previo.

Cuando los estímulos son de origen externo, como visuales, auditivos, somatosensoriales (táctiles) o incluso olfativos, estos potenciales suelen denominarse potenciales evocados. Sin embargo, los ERPs también pueden ser provocados por acciones generadas por la voluntad interna de una persona para realizar una tarea. Por ejemplo, al iniciar un movimiento, o incluso al intentar o imaginar dicho movimiento (Shibasaki et al., 1980). Este caso particular ilustra el potencial cortical relacionado con el movimiento (MRCP, Movement-Related Cortical Potential).

Otro ejemplo relevante de ERP es el potencial relacionado con errores (ErrP, Error-Related Potential). Tras un estímulo que la persona percibe como erróneo debido a un desajuste con su expectativa, la onda cerebral resultante puede registrarse desde la línea media del cuero cabelludo (Falkenstein et al., 1991).

Existe otro tipo de potencial llamado potencial evocado de estado estable (SSEP, Steady-State Evoked Potential), que se evoca solo si un estímulo (visual o táctil) se presenta con una alta tasa de repetición, generalmente superior a 6 Hz. Regan (1989) define los SSEPs como aquellos que ocurren cuando los estímulos sensoriales se entregan repetidamente a tasas lo suficientemente altas como para evitar que las estructuras neuronales relevantes regresen a sus estados de reposo. Idealmente, los componentes de frecuencia discretos permanecen constantes en amplitud y fase durante un período de tiempo infinitamente largo, aunque en la práctica, los SSEPs nunca cumplen completamente esta definición ideal.

La Importancia del Promedio en la Detección de ERPs

Las señales ERP suelen ser de baja amplitud y, por lo tanto, es difícil distinguirlas de la actividad EEG espontánea en datos brutos de un solo ensayo. Sin embargo, mediante la presentación repetida de estímulos y el promedio de las respuestas EEG, estos ERPs pueden hacerse visibles. Dado que el EEG continuo no está sincronizado en tiempo ni en fase con el estímulo, el promedio aumenta la relación señal-ruido (Regan, 1989; Fabiani et al., 2007; Luck, 2014). En la investigación de Interfaces Cerebro-Computadora (BCI), sin embargo, el objetivo suele ser lograr la detección en un solo ensayo, lo que requiere un diseño de paradigma específico, técnicas de procesamiento de señales y enfoques de aprendizaje automático.

Componentes Clave de los ERPs

Dentro de los ERPs, existen componentes específicos que han sido ampliamente estudiados por su relación con procesos cognitivos particulares. Uno de los más famosos es el componente P300.

El Componente P300

El P300 es considerado un indicador del procesamiento de información en relación con mecanismos de atención y memoria, y fue descrito por primera vez por Sutton et al. (1965). Evidencia más reciente ha demostrado que el P300 comprende dos subcomponentes:

• P3a: También conocido como “P3 de novedad”, es un potencial positivo que tiene su máxima amplitud sobre los sitios de electrodos frontales/centrales y una latencia máxima en el rango de 250–280 ms. Esta onda se ha asociado con la captación de la atención (especialmente los cambios involuntarios de orientación a los cambios en el entorno) y el procesamiento de la novedad.
• P3b: También conocido como “P300 clásico”, es un potencial positivo que tiene el máximo alrededor de los 300 ms, aunque dependiendo de la tarea, el pico puede variar en latencia de 250 a 500 ms. Las amplitudes suelen ser más altas sobre las áreas cerebrales parietales de la línea media. Generalmente, el P3b está relacionado con la probabilidad de los eventos: cuanto menos probable es un evento, mayor es el P3b (Katayama y Polich, 1998; Simons et al., 2001).

El componente P300 fue utilizado para el diseño de uno de los primeros sistemas BCI. Ya en 1988, Farwell y Donchin presentaron un primer paradigma BCI basado en un P300 visual. A los sujetos se les presentaba una matriz de caracteres en una pantalla de computadora. Las filas y columnas de la matriz se resaltaban mediante flashes a intervalos cortos. Se pedía a los sujetos que se enfocaran en el carácter deseado (como intersección de una fila y columna) y contaran internamente las veces que aparecía parpadeando (para cada fila y columna). Desde entonces, se han publicado muchos ejemplos de BCI explorando las diferentes propiedades del P300.

Una contribución importante fue hecha por Kaufmann et al. (2011), quienes introdujeron imágenes de caras como estímulos en lugar de simples caracteres parpadeantes, ya que se sabe que las caras provocan ERPs particularmente fuertes debido a su saliencia psicológica. En 2013, publicó un trabajo que mostró que este sistema aumentaba significativamente la precisión en pacientes con ELA (Esclerosis Lateral Amiotrófica). Desde entonces, se han desarrollado muchas aplicaciones, como pintura cerebral, navegación web o composición musical (Pinegger et al., 2017).

Dado que no todas las personas pueden enfocar su visión con precisión, se pueden utilizar estímulos táctiles para provocar el P300 (Brouwer y van Erp, 2010; Herweg et al., 2016). Además, también se han desarrollado BCIs basados en P300 auditivos, ofreciendo formas adicionales de ayudar o asistir a usuarios con vías visuales limitadas (Hohne et al., 2010; Schreuder et al., 2011; Pokorny et al., 2013).

El Potencial Relacionado con Errores (ErrP)

Una forma de aumentar el rendimiento de las BCI es detectar automáticamente los errores a partir de las señales cerebrales registradas después de reacciones a decisiones particulares, permitiendo así que un sistema BCI corrija o inhiba comandos erróneos. A principios de la década de 1990, surgió la idea del ErrP, a menudo también denominado negatividad relacionada con errores (ERN, Error-Related Negativity) debido a su polaridad negativa. Se describió como un complejo de onda característico medible en los electrodos de la línea media frontal sobre la corteza cingulada anterior (ACC), una región cerebral conocida por su papel funcional en la monitorización de conflictos y el procesamiento de errores (Carter, 1998; Botvinick et al., 1999, 2004).

La ERN se desarrolla concurrentemente con el inicio de la respuesta y a menudo alcanza su pico dentro de los 100 ms después del inicio; sin embargo, dependiendo del tipo de error, las latencias máximas también pueden variar hasta 500 ms después del inicio de la respuesta. Generalmente, el ErrP ocurre después de que uno percibe eventos erróneos. Dependiendo de cómo se generan estos potenciales, se definen como ErrP de observación (Miltner et al., 1997), de retroalimentación (Miltner et al., 1997), de respuesta (Falkenstein et al., 1991) o de interacción (Ferrez y Millán, 2008; Chavarriaga et al., 2014).

Los ErrPs de interacción se pueden detectar en la región sobre la ACC y se miden después de que una persona presencia una ejecución falsa de un comando intencionado. Desde la perspectiva del usuario, un ErrP de interacción ocurre siempre que una interfaz de control malinterpreta un comando. A diferencia de otros tipos de ErrPs, que no requieren la participación del usuario o no surgen en escenarios auto-dirigidos, el ErrP de interacción parece ser el más prometedor para aumentar el rendimiento en aplicaciones BCI para usuarios finales.

Mediante el uso de estos ErrPs de interacción, el rendimiento de las BCI se puede mejorar detectando reacciones específicas a errores que difieren de las reacciones a eventos correctos. Las acciones falsas pueden ser inhibidas, lo que lleva a un aumento de la precisión en los sistemas controlados por BCI. Varios estudios ya han mencionado las capacidades técnicas de corrección de errores para diversos paradigmas (Ferrez y Millán, 2008). En general, los paradigmas utilizados en estos experimentos están diseñados para funcionar bien con el procesamiento de ErrP. Debido a la naturaleza discreta de la retroalimentación, los ErrPs pueden detectarse fácilmente evaluando períodos de tiempo después de eventos discretos.

Sin embargo, las aplicaciones BCI modernas ya no se limitan a aplicaciones discretas donde solo se puede tomar una decisión discreta en un momento dado. En cambio, las aplicaciones de control continuo ganan importancia, ya que ofrecen una implementación más natural de BCI para actividades de la vida diaria. Ejemplos relevantes son una silla de ruedas en movimiento continuo para la movilidad (Galán et al., 2008) o coches en movimiento en un juego de computadora (Kreilinger et al., 2016). Un estudio reciente mostró que los ErrPs también pueden registrarse y utilizarse durante una de estas aplicaciones continuas. Se acopló una retroalimentación continua en forma de un brazo artificial en movimiento con eventos discretos adicionales, como disparadores, y se encontraron ErrPs con éxito en análisis fuera de línea (Kreilinger et al., 2012; Omedes et al., 2018), así como de forma asíncrona (Lopes Dias et al., 2018). Un paradigma BCI alternativo y complementario fue presentado por Iturrate y colegas recientemente (Iturrate et al., 2015). En su enfoque, un brazo robótico ejecutaba acciones que los participantes evaluaban como erróneas o correctas, y se explotaron patrones cerebrales correlacionados de esta evaluación para aprender comportamientos motores adecuados.

El Potencial Evocado de Estado Estable (SSEP)

Este potencial aparece como ondas sinusoidales con la misma frecuencia que la frecuencia de estimulación y, a veces, con frecuencias más altas y como subarmónicos (Herrmann, 2001; Müller-Putz et al., 2005a). Desde principios de la década de 2000, se han investigado las BCI basadas en potenciales evocados visuales de estado estable (SSVEP, Steady-State Visual Evoked Potential), introducidas por primera vez por Middendorf et al. (2000). Desde entonces, han aparecido muchos artículos que investigan un mayor número de clases (Gao et al., 2003), armónicos más altos (Müller-Putz et al., 2005a) y otras características como la superposición de estímulos para evitar movimientos oculares (Allison et al., 2008).

Una nueva aplicación de una BCI SSVEP fue mostrada por Pinegger et al., quienes utilizaron este tipo de análisis para verificar si un usuario se estaba enfocando en una matriz de deletreo P300. Cuando la atención del usuario se desvía, el SSVEP provocado por el parpadeo de filas y columnas también disminuye y el deletreo puede detenerse (Pinegger et al., 2014). Dado que no todos los usuarios finales mantienen el control de sus movimientos oculares, Müller-Putz presentó la idea de utilizar potenciales evocados somatosensoriales de estado estable (SSSEP, Steady-State Somatosensory Evoked Potentials) para crear una BCI basada en estímulos táctiles repetitivos aplicados a los dos dedos índices (Müller-Putz et al., 2006). Se proporcionó la prueba de concepto básica; sin embargo, intentos posteriores no llevaron este tipo de BCI a un nivel en el que los usuarios finales pudieran beneficiarse plenamente de ella (Breitwieser et al., 2016; Pokorny et al., 2016). No obstante, los SSVEPs también pueden ser aprovechados en usuarios de BCI sanos al participar en tareas cooperativas (por ejemplo, jugar) (Cruz et al., 2017).

ERP en Neurociencia vs. ERP en Psicología

Si alguna vez has escuchado a dos personas diferentes hablar sobre "psicología ERP", existe la posibilidad de que las conversaciones no estuvieran perfectamente alineadas. Como muchas otras abreviaturas, ERP puede significar más de un concepto. En psicología, “ERP” puede significar tanto “potencial relacionado con eventos” (Event-Related Potential) como “exposición y prevención de respuesta” (Exposure and Response Prevention).

Aunque ambos temas ayudan a los profesionales de la salud mental a comprender el comportamiento humano, los procesos cognitivos y la salud mental, son distintos. El contexto en el que se utiliza la abreviatura es crucial para entender a cuál de los dos conceptos se refiere.

Este artículo se centra principalmente en el primer significado: el potencial relacionado con eventos, que es el concepto fundamental en neurociencia.

Aplicaciones de los ERPs en la Investigación y la Clínica

Los potenciales relacionados con eventos son elementos esenciales de la neurociencia y la psicología. Los electroencefalogramas (EEGs) son máquinas tan perceptivas que los investigadores pueden analizar la temporalidad y la intensidad de los potenciales relacionados con eventos para detectar los procesos cognitivos de un individuo, como la atención, la memoria y la comprensión del lenguaje.

La latencia entre la acción estimulante y la reacción del cerebro representa la velocidad de procesamiento del cerebro, y la amplitud de la forma de onda indica la activación cerebral de las neuronas reclutadas para procesar la información. Si se evalúa a un individuo a lo largo de su vida, los profesionales médicos pueden identificar cambios cognitivos —incluido el deterioro cognitivo— antes de que los síntomas se expresen externamente.

En resumen, los ERPs son herramientas poderosas y no invasivas que permiten a los neurocientíficos:

• Estudiar los procesos cognitivos de un individuo.
• Diagnosticar y estudiar trastornos cognitivos.
• Explorar cambios de desarrollo en el cerebro a lo largo del tiempo.

Los ERPs proporcionan un conjunto de datos objetivo que puede ayudar a los psiquiatras a llegar a un diagnóstico preciso para individuos que experimentan problemas mentales como la esquizofrenia y el trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH). Después del diagnóstico y la intervención, los ERPs pueden volver a evaluarse para valorar la efectividad de los tratamientos psicológicos.

Como los ERPs tienden un puente entre la psicología y la neurociencia, también son aplicables a la medicina. Por ejemplo, los ERPs ofrecen oportunidades de detección auditiva en niños y adolescentes. Dado que el EEG registra respuestas a estímulos, el médico puede determinar fácilmente si la persona puede escuchar el estímulo auditivo mediante una técnica objetiva. Los ERPs también pueden utilizarse para diagnosticar:

• Lesiones del tronco encefálico.
• Lesiones de la médula espinal.
• Comas.
• Epilepsia.
• Encefalitis.
• Demencia.
• Esclerosis múltiple.
• Trastornos del sistema visual (especialmente antes del nacimiento y en recién nacidos).

Preguntas Frecuentes sobre los ERPs en Neurociencia

¿Qué significa la sigla ERP en neurociencia?

En neurociencia, ERP significa Potencial Relacionado con Eventos (Event-Related Potential).

¿Cómo se miden los ERPs?

Los ERPs se miden utilizando un electroencefalograma (EEG), que registra la actividad eléctrica del cerebro a través de electrodos colocados en el cuero cabelludo. Para identificar los ERPs, se presenta un estímulo o evento repetidamente y se promedian las respuestas EEG para eliminar el ruido de la actividad cerebral espontánea.

¿Qué información nos dan los ERPs sobre el cerebro?

Los ERPs proporcionan información sobre la temporalidad (latencia) y la intensidad (amplitud) de la respuesta cerebral a un evento. La latencia puede indicar la velocidad de procesamiento, mientras que la amplitud puede reflejar la cantidad de actividad neuronal involucrada.

¿Qué es el componente P300?

El P300 es un componente positivo de los ERPs que típicamente aparece alrededor de 300 ms después de un evento relevante y poco frecuente. Se asocia con procesos cognitivos como la atención, la memoria de trabajo y la evaluación de la relevancia del estímulo.

¿Se utilizan los ERPs en Interfaces Cerebro-Computadora (BCI)?

Sí, varios tipos de ERPs, especialmente el P300, los SSVEPs y los ErrPs, son fundamentales para el desarrollo de sistemas BCI, permitiendo a las personas controlar dispositivos o comunicarse mediante su actividad cerebral.

¿Es el ERP de neurociencia lo mismo que el ERP de psicología?

No. Aunque comparten la misma sigla, en psicología, ERP también puede referirse a Exposición y Prevención de Respuesta (Exposure and Response Prevention), que es un tipo de terapia conductual para trastornos de ansiedad como el TOC.

Conclusión

Los Potenciales Relacionados con Eventos son una herramienta indispensable en la neurociencia para desentrañar los misterios de cómo el cerebro humano responde y procesa la información de su entorno. Desde la investigación básica sobre la cognición hasta aplicaciones clínicas y tecnológicas como las Interfaces Cerebro-Computadora, los ERPs continúan ofreciendo una ventana única y objetiva a la dinámica cerebral en tiempo real.

Si quieres conocer otros artículos parecidos a Potenciales Relacionados con Eventos (ERP) puedes visitar la categoría Neurociencia.