El olfato y el gusto
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,QJHQLHUtD1HXURVHQVRULDO 'HSDUWDPHQWRGH,QJHQLHUtD(OHFWUyQLFD (OROIDWR\HOJXVWR Fisiología y funcionamiento El olfato y el gusto electrónico ÌQGLFH 1 Introducción .............................................................................................1 2 Fisiología y funcionamiento del olfato.................................................1 3 4 5 2.1 La química de los olores..................................................................2 2.2 Funcionamiento del olfato................................................................2 2.3 La percepción del olor: procesos neurosensoriales superiores ....5 2.4 La percepción cuantitativa del olor..................................................7 2.5 Procesos de reacción y adaptación ................................................8 Fisiología y funcionamiento del gusto.................................................8 3.1 La química de los sabores...............................................................8 3.2 Funcionamiento del gusto ...............................................................8 3.3 Procesos neurosensoriales superiores........................................ 11 Patologías relacionadas con el olfato y el gusto..............................12 4.1 Tipos .............................................................................................. 12 4.2 Causas........................................................................................... 12 4.3 Mecanismos de diagnóstico ......................................................... 13 4.4 Tratamiento ................................................................................... 13 El olfato artificial....................................................................................13 5.1 Introducción ................................................................................... 13 5.2 Definición de nariz electrónica...................................................... 14 5.3 Un poco de historia del olfato electrónico.................................... 14 5.4 Arquitectura de una nariz electrónica........................................... 14 5.4.1 Sistema de suministro de material oloroso y cámara de sensores15 5.4.2 Sensores .......................................................................... 15 5.4.3 Adaptación de señales y conversión A/D....................... 21 INGENIERÍA NEUROSENSORIAL 5.4.4 6 EL OLFATO Y EL GUSTO Proceso de señal de olfato y reconocimiento de patrones21 5.5 El olfato en un chip........................................................................ 23 5.6 Aplicaciones de la nariz electrónica ............................................. 24 5.7 Principales problemas de un sistema de nariz electrónica......... 25 El gusto artificial....................................................................................25 6.1 Definición de “lengua electrónica”................................................ 25 6.2 Funcionamiento de la lengua electrónica y aplicaciones............ 25 7 Fusión sensorial ....................................................................................26 8 Curiosidades..........................................................................................26 8.1 El olfato en cifras........................................................................... 26 8.2 El gusto en cifras........................................................................... 27 8.3 Curiosidades del olfato ................................................................. 27 - ii - ,QWURGXFFLyQ Los sentidos del olfato y el gusto son parte de nuestro sistema sensorial químico. Las células sensoriales en nuestra nariz, boca y garganta juegan un papel fundamental a la hora de ayudarnos a interpretar olores, y también sabores. Las moléculas microscópicas liberadas por las sustancias que nos rodean (alimentos, flores, perfumes, etc.) estimulan estas células sensoriales, y una vez que éstas detectan las moléculas, envían mensajes específicos a centros superiores del cerebro, donde se produce la identificación efectiva del olor o el sabor percibido. Para muchas especies, el sentido del olfato y el gusto determinan su supervivencia diaria. A través de la información que proporcionan dichos sentidos, somos capaces de detectar a distancia posibles amenazas, como por ejemplo la presencia de fuego, de sustancias químicas potencialmente peligrosas, alimentos en mal estado, etc. Mis sentidos del olor y el sabor también están influenciados por otro proceso neurosensorial llamado por algunos “el sentido químico común”, o el sentido “trigeminal”, (que podría considerarse como nuestro “tercer sentido químico”) que implica terminaciones nerviosas en nuestros ojos, nariz, boca y garganta, especialmente en las superficies húmedas. Más allá del olor y el sabor, estas terminaciones nerviosas nos ayudan a sentir las sensaciones de estímulo de ciertas substancias, como la generación de lágrimas al cortar una cebolla, la sensación refrescante que produce la menta o la desagradable que nos produce del amoniaco. De los tres sentidos químicos, el más desarrollado es, sin duda, el del olfato. Para mucha gente es sorprendente averiguar que los sabores se reconocen fundamentalmente a través del sentido del olfato (se estima que éste es una 10000 veces más sensible que el sentido del gusto). Junto con la textura, la temperatura y las sensaciones del sentido “trigeminal”, la percepción del sabor viene a partir de una combinación de olores y gusto. Sin las células olfativas, sabores familiares como el café o las naranjas serían muy difíciles de distinguir. Hay indicios de que el olor puede influenciar el estado de ánimo, la memoria, las emociones, la elección de pareja, el sistema inmunitario y el sistema endocrino, con lo que sin duda merece la pena estudiar con cierto detenimiento este desconocido sentido. Sin embargo, cómo y por qué olemos, y el impacto del olor en nuestra vida cotidiana son aspectos aún poco conocidos, aunque típicamente subestimamos la importancia del olor para nuestro bienestar. A pesar de que el sentido del olfato está fuertemente ligado a nuestras emociones y estética, es curioso observar cómo no contamos con un vocabulario adecuado para describir los olores con precisión. Como consecuencia de ello, los olores sólo pueden ser descritos en términos relativos y con relación a otros, y las experiencias olorosas son muy dependientes del sujeto, tanto en la identificación como en la cuantificación de las mismas. Por todo ello, parece fundamental la idea de desarrollar un “olfato artificial”, que nos permita detectar y cuantificar los olores, de forma analítica, con toda la precisión posible, y lo mismo aplica (con las limitaciones en lo que respecta a su capacidad de percepción y discriminación) al sentido del gusto. )LVLRORJtD\IXQFLRQDPLHQWRGHOROIDWR En este apartado describiremos la fisiología y funcionamiento del olfato, haciendo en primer lugar una serie de consideraciones sobre las características químicas que suelen presentar las sustancias olorosas. No es nuestro objetivo hacer una descripción exhaustiva de la parte anatómica y química de los procesos olfativos, sino dar una idea razonablemente precisa de los mismos. INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO /DTXtPLFDGHORVRORUHV Típicamente, el olor de una cualquier material comprende una mezcla compleja de multitud de moléculas olorosas de distintos tipos, cada una en una concentración determinada, aunque en ocasiones predomina el efecto de un elemento puro, compuesto de un único tipo de moléculas olorosas que determina el olor dominante. Un intento inicial de abordar el problema de estudio de los olores desde el punto de vista químico fue tratar de establecer relaciones entre la estructura molecular y las propiedades olorosas. Sin embargo, esta relación no es en absoluto unívoca y hay muchos más factores a tener en cuenta (si bien existen patrones comunes a muchas moléculas olorosas). Las moléculas que pueden ser detectadas por nuestro sentido del olfato deben tener ciertas propiedades, como por ejemplo ser lo suficientemente pequeñas como para ser volátiles (masa molecular relativa mayor de 30 a 300 g· mol-1), de modo que puedan vaporizarse, alcanzar la nariz y luego disolverse en la mucosa olfativa. Otros factores importantes son las interacciones internas (moléculas polares o no polares), la distribución de átomos, la distribución de carga, y la posibilidad de que se produzcan rotaciones estructurales. Finalmente, las relaciones (fuerzas) intermoleculares también tienen mucha importancia, y determinan finalmente su volatilidad y solubilidad en agua, entre otros factores. Algunos de los compuestos olorosos más destacados tienen estructuras en anillo con electrones no localizados, lo que les da una especial estabilidad desde el punto de vista químico. Los químicos llaman a esta propiedad “aromaticidad”, porque los primeros compuestos que se descubrieron con dicha estructura presentaban olor, aunque muchas (pero no todas) de estas moléculas aromáticas (en el sentido químico) tienen de hecho olor. En la actualidad hay mucho trabajo en curso para tratar de determinar (predecir) las posibles características olorosas de los compuestos químicos, bien describiendo algebraicamente las características de las moléculas, bien describiendo cualitativamente las características moleculares relevantes o bien usando simulaciones por ordenador para determinar las relaciones entre las moléculas olorosas y sus receptores. Éste último enfoque parece ser el más prometedor, y aunque está todavía en su infancia, es el que podría producir avances más significativos en el campo de la predicción del olor de nuevas moléculas. )XQFLRQDPLHQWRGHOROIDWR Ya hemos comentado cómo nuestro sentido del olfato es estimulado únicamente por moléculas gaseosas. Dichas moléculas pueden venir del aire que respiramos, o bien de sustancias volátiles emitidas en nuestra boca por los alimentos que ingerimos. -2- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 1. Anatomía del olfato y detalle de las células del epitelio olfativo A través del aire aspirado por la nariz o la boca, las moléculas olorosas llegan a la cavidad nasal, y a través de los conductos nasales llegan a una zona en la parte superior interna de la nariz: el epitelio olfativo. La superficie de dicho epitelio olfativo (unos 5 cm2 en los humanos) está cubierta por una fina capa mucosa, compuesta fundamentalmente compuesta de agua (y cuya misión principal es hacer de filtro mecánico y químico de grandes partículas). El epitelio olfativo contiene tres tipos de células, de las cuales, las más importantes son las neuronas olfativas (unos 6 millones en los humanos) que, a su vez, tienen unas prolongaciones en forma de cilios (de hasta 200 µm de largo) hacia la mucosa olfativa y cuyos axones se prolongan hacia el bulbo olfativo, situado al otro lado de la placa cribiforme del etmoides. Una característica singular de estas neuronas olfativas es su capacidad de regeneración, proceso que sucede cada pocas semanas (entre 4 y 8). Los cilios (entre 8 y 20 por cada neurona olfativa) contienen los receptores olfativos donde se produce la recepción de las moléculas olorosas y comienza el proceso real de transducción química. Los sitios receptores son proteínas de la membrana celular en la zona ciliar que tienen contacto tanto con el exterior como con el interior. -3- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 2. Detalle de las conexiones entre la mucosa y el bulbo olfativo El proceso químico básico es como sigue (Ilustración 3): T La estructura de la proteína receptora cambia cuando entra en contacto con la molécula olorosa, afectando a una proteína G asociada T La proteína G asociada cambia y activa una enzima (adenilato ciclasa (adenylate cyclase)) T La encima cataliza la formación de moléculas mensajeras (monofosfato cíclico de adenosina (cyclic adenosine monophosphate – cAMP)) a partir de un compuesto llamado adenosintrifosfato (ATP) presente en la célula T El cAMP abre los canales de Na+ de la membrana celular, lo que provoca la entrada de Na+ a través de la misma -4- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 3. Procesos químicos involucrados en la detección de las moléculas olorosas Cuando se produce la apertura del canal de Na+, se genera un súbito aumento de la carga positiva en el interior del cilio. Cuando se excita cada neurona olfativa por el aumento de carga del cilio, generará a su vez su potencial de acción y lo enviará a través del axón a una estructura superior llamada glomérulo (ya en el bulbo olfativo, donde hay unos 1000), que recoge la excitación proveniente de entre 17000 y 25000 axones de células olfativas. A su vez, cada glomérulo está conectado con una célula mitral, las principales dentro del bulbo olfativo, cada una de las cuales recibe la excitación de unos 25 glomérulos y enlaza finalmente el sistema olfativo con el córtex olfativo en el cerebro. Un concepto fundamental del proceso químico no es tanto la secuencia de reacciones, sino la idea de “amplificación de señal”: la molécula olorosa activa la proteína receptora, ésta la G-proteína, ésta a su vez activa muchas moléculas de adenilato ciclasa y éste muchas más moléculas de cAMP, responsable de la liberación de aún más iones de Na+. De hecho, tan sólo unas cuantas moléculas olorosas pueden producir un cambio dramático en el potencial eléctrico neuronal (por ejemplo, una billonésima de gramo de amoniaco por litro de aire puede hacer llorar los ojos). /DSHUFHSFLyQGHORORUSURFHVRVQHXURVHQVRULDOHVVXSHULRUHV La salida del córtex olfativo comunica directamente con varias partes del cerebro, incluyendo el neocórtex orbital, los núcleos mediodorsales y submedios del tálamo, el hipotálamo lateral y la zona límbica, además de la amígdala y el hipocampo. A grandes rasgos podríamos distinguir entre dos tipos de información: la que va a las zonas superiores de procesamiento olfativo y aquellas que van a las estructuras límbicas. Las primeras tienen relación con los procesos relacionados con el reconocimiento consciente de olores y su asociación con la discriminación olfativa, la percepción, el reconocimiento y la memoria. Las segundas están asociadas con respuestas subconscientes a olores, como los relacionados con las emociones y el comportamiento, incluyendo la regulación de las secreciones hormonales. En lo que se refiere a la identificación en sí de olores, se han identificado unos 1000 receptores olfativos, y cada neurona olfativa genera únicamente un receptor, de modo que el epitelio olfativo está compuesto en realidad por mil poblaciones de neuronas olfativas que se distinguen fundamentalmente por el receptor que producen. Ahora, si buscásemos en la cavidad nasal a todas las células que tienen en su membrana el mismo receptor, observaríamos que se encuentran distribuidas de manera un tanto aleatoria sobre el epitelio olfativo. En otras palabras, el epitelio olfativo no tiene regiones definidas que respondan a una cierta -5- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO molécula volátil, sino que los receptores se encuentran esparcidos a lo largo de la cavidad nasal, lo cual quizá aumenta las probabilidades de que un compuesto volátil encuentre a su receptor en alguna parte de la cavidad nasal. Sin embargo, este caos aparente no resultaría muy eficiente para transmitir información olfativa si no hubiese una forma de coordinar el esfuerzo de todas las células que llevan el mismo receptor. La solución a este problema se encuentra en los glomérulos del bulbo olfativo. Es en estas estructuras esféricas donde la información de las neuronas sensoriales pasa a las células mitrales y a las células con penacho. Estudios de biología molecular han mostrado que las prolongaciones nerviosas de todas las neuronas que expresan al mismo receptor convergen en un único glomérulo. Así, cuando un determinado compuesto volátil entra en la cavidad nasal, todas las neuronas que lo reconocen se activan simultáneamente y transmiten su información al mismo glomérulo. Al ser estimuladas de esta manera, las células del bulbo olfativo se activan y transmiten a su vez esta información a las demás áreas olfativas del sistema nervioso. Esta convergencia de las células que poseen la misma proteína es otra evidencia significativa de que estas moléculas son realmente los receptores olfativos. Si consideramos que existen aproximadamente mil glomérulos en el bulbo olfativo, no tardaremos en apreciar la elegancia de este sistema sensorial, el cual ha evolucionado para mostrar un mínimo de redundancia (un receptor–un glomérulo). Más aún, la precisión de este diseño también es evidente en el hecho de que la posición de cada glomérulo en el bulbo olfativo se conserva de animal en animal y de una mitad a la otra del sistema nervioso. En otras palabras, si un glomérulo recibe la información de células que poseen un cierto receptor, entonces el glomérulo situado en la misma posición en el bulbo del lado contrario también recibirá la misma información. Y si estudiamos este mismo glomérulo en un grupo de animales, encontraremos que su posición específica se conserva de animal en animal. A pesar de su elegancia, es posible argumentar que el diseño del sistema olfativo tiene una limitación: el número de sustancias que podemos oler. Así, si hay sólo mil receptores, ¿quiere esto decir que sólo podemos oler mil compuestos? Intuitivamente es difícil pensar que este es el caso. De hecho, hay quienes han calculado que quizá podemos distinguir más de cien mil olores. Por otra parte, todos podemos percibir olores que nunca antes habían existido y que, evidentemente, el sistema olfativo no hubiera podido predecir, dotándonos de manera innata con receptores para todos los olores habidos y por haber. ¿Cómo soluciona nuestro olfato este problema? Muy posiblemente combinando la activación simultánea de diferentes receptores y, en consecuencia, de diferentes glomérulos. Cada combinación sería entonces interpretada por el sistema nervioso como un olor diferente. Si esta idea fuese correcta, el número de sustancias que teóricamente podríamos oler sería abrumador; basta pensar con el número de combinaciones diferentes que podemos obtener a partir de mil glomérulos. La clave en cuanto a la organización de la información olfativa en el córtex olfativo de cara a la percepción de los diferentes olores, no ha sido descifrada hasta hace relativamente poco, a finales del año 2001. A partir de una aproximación genética sofisticada, los investigadores consiguieron ratones en los que sólo uno de los receptores olfativos estaban marcados, lo que les ha permitido trazar el "viaje" del receptor desde las neuronas olfativas que lo expresan hasta el bulbo olfativo, y luego hacia el córtex olfativo, visualizando así las neuronas del córtex que reciben la excitación del receptor en cuestión. Los investigadores demostraron que las excitaciones de cada receptor se encuentran agrupados en el córtex olfativo, y que este córtex presenta un nivel de organización inesperado: un mapa de entradas sensoriales. En este mapa, las excitaciones de los receptores específicos son enviadas a varios grupos de neuronas corticales cuya localización es similar o idéntica en diferentes individuos. Además la mayoría son simétricamente bilaterales en los dos hemisferios del cerebro. Por lo tanto, el código para un olor específico dependerá del código otorgado por la combinación de receptores expresados en el epitelio olfativo. La existencia de este mapa estereotipado en la corteza cerebral sugiere un mecanismo por el cuál los olores podrían lograr percepciones, y quizás respuestas emocionales y fisiológicas, similares en diferentes individuos. -6- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO /DSHUFHSFLyQFXDQWLWDWLYDGHORORU Ya hemos dicho cómo, de los tres sentidos químicos (olfato, gusto y “trigeminal”), el olfato es sin duda el más destacado, tanto en capacidad de percepción de sustancias en concentraciones extremadamente bajas, como en rango dinámico y en capacidad de discriminación1. Al igual que sucede con otros sentidos, la intensidad percibida del olor no está relacionada de forma lineal con su concentración. La relación típica es del tipo sigmoideo (Ilustración 4), existiendo un umbral por debajo del cual no se detecta el olor, y otro por encima del cual la percepción tampoco aumenta. Ilustración 4. Señal sigmoidea. El comportamiento típico de los olores obedece a dos pautas: Olores para los que la intensidad percibida aumenta rápidamente para cambios pequeños en la concentración2 (lo que implica un rango dinámico de discriminación pequeño), y otros para los que la intensidad percibida aumenta lentamente3 (con lo que el rango dinámico de discriminación es más amplio). Los umbrales olfativos son de dos tipos: T Umbral de detección: Mínima concentración en la que el sujeto es capaz de detectar la presencia de un olor T Umbral de identificación: Mínima concentración en la que el sujeto es capaz de identificar el olor del que se trata Los umbrales olfativos dependen fuertemente de las condiciones del sujeto y, por supuesto, de las condiciones en las que se realiza la medida. Los valores típicos para estos umbrales de detección pueden ser incluso más bajos que los mostrados en la siguiente tabla. Elemento Tipo de olor Umbral de detección (en mg· dm-3) Benzaldehido Almendra amarga 1 · 10-3 Citral Limón 3 · 10-6 1 Hay estudios perceptuales que muestran cómo el olfato va perdiendo capacidad con el paso de los años (sobre todo a partir de los 70), que las mujeres son más sensibles a los olores que los hombres, que la condición física de los sujetos es determinante en su capacidad olfativa (los resfriados, por ejemplo, afectan negativamente), que el fumar altera la percepción (potenciando o inhibiendo la percepción de ciertos olores), y que los sujetos con anosmia total suponen alrededor del 1,2% de la población. 2 En perfumería reciben el nombre de “notas altas”, y son los olores más volátiles. 3 En perfumería reciben el nombre de “notas bajas”, y son los olores más duraderos. -7- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO En cuanto a la clasificación de los olores, la investigación del sentido del olfato se encuentra en clara desventaja con la de otros sentidos (como la vista y el oído), en los que las cualidades del elemento detectado son claramente medibles (longitud de onda óptica o composición espectral del sonido), y las evaluaciones en este sentido se basan en pruebas subjetivas con sujetos especialmente entrenados. 3URFHVRVGHUHDFFLyQ\DGDSWDFLyQ Los tiempos de reacción y adaptación a los estímulos olorosos dependen fundamentalmente de la concentración del elemento correspondiente y siguen relaciones de tipo exponencial, aunque no se conocen con precisión los factores que intervienen en la mayor o menor sensibilidad de nuestro sistema olfativo a distintas sustancias olorosas. Finalmente, merece la pena comentar que en el epitelio olfativo tienen unas glándulas encargadas de segregar una solución enzimática cuya misión es eliminar las moléculas olorosas que han excitado las neuronas correspondientes, limpiando en cierto modo la mucosa olfativa de las sustancias presentes en ella y ya detectadas. )LVLRORJtD\IXQFLRQDPLHQWRGHOJXVWR En este apartado describiremos la fisiología y funcionamiento del gusto, con menor detalle que en el caso del olfato, al ser un sentido más simple desde el punto de vista funcional y menos interesante desde el punto de vista de la imitación artificial. /DTXtPLFDGHORVVDERUHV A diferencia de los olores, la química de los sabores es relativamente simple. En este caso, las moléculas “sabrosas” no tienen que tener características estructurales especiales y el hecho de que el alimento se encuentre en la boca facilita enormemente su detección por parte de las células receptoras. La detección química se basa tanto en la presencia de iones (H+, Cl-, etc.), como en la de sustancias químicas específicas (como la glucosa). )XQFLRQDPLHQWRGHOJXVWR La lengua es el principal órgano gustativo del cuerpo humano. Ésta es un cuerpo carnoso de gran movilidad, ubicado en el interior de la cavidad bucal, y su superficie está cubierta por pequeñas papilas, que son de cuatro tipos, fundamentalmente (Ilustración 5): T Fungiformes (que contienen papilas gustativas) T Circunvaladas (también gustativas, especializadas en el sabor amargo y ácido, situadas en los dos tercios posteriores de la lengua) T Foliadas, papilas gustativas, especializadas en el sabor agrio T Filiformes, papilas táctiles y que registran la temperatura -8- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 5. Anatomía de la lengua Las papilas gustativas son las más importantes, ya que son las responsables del sentido del gusto, y están formadas por un racimo de células receptoras rodeadas de células de soporte. Como se muestra en la Ilustración 6, dichas células tienen un poro externo pequeño, a través del cual se proyectan finas prolongaciones de las células sensoriales ciliadas expuestas a la saliva que entra por los poros. Un alimento introducido en la boca y disuelto en la saliva, interactúa con los receptores ciliares y genera un impulso nervioso que es transmitido al cerebro por medio los cuatro nervios craneales. La sensación del sabor se obtiene una vez en el cerebro se han recibido las señales correspondientes al conjunto de células sensoriales para todas las sustancias químicas presentes, y éste las transforma mediante complejos sistemas de reconocimiento en un sabor concreto. La frecuencia con que se repiten los impulsos indica la intensidad del sabor y es probable que un tipo de sabor quede registrado por un tipo de células que hayan respondido de una forma más específica al estímulo. -9- INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 6. Estructura de una papila gustativa y conexiones con el córtex del sabor. A pesar de lo que nos pueda parecer, percibimos únicamente cinco sabores básicos: en la parte delantera de la lengua captamos el sabor dulce; atrás, el amargo; a los lados, el salado y el ácido o agrio, tal y como se muestra en la Ilustración 7. - 10 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 7. Zonas de detección de los cuatro sabores básicos El “quinto sabor”, llamado umami se relaciona con compuestos como el glutamato monosódico y es característico de alimentos sabrosos, ricos en proteínas, siendo la localización de sus receptores más compleja y todavía no determinada. En la boca, dichos gustos, junto con información sobre la textura, la temperatura y el sentido químico común, se combinan con el olor para producir la sensación completa del sabor (así por ejemplo, el sabor del chocolate y el del caramelo se distinguen, sobre todo, por su olor). El sistema de detección químico del gusto es, obviamente, mucho más simple que el del olfato. Basta considerar simplemente el número de receptores distintos en cada sentido, y el número de células receptoras involucradas (unas 10000 en toda la lengua). Al contrario que en el caso del olfato, no vamos a entrar en detalle de los procesos químicos involucrados en la percepción de los cinco sabores, y nos limitaremos a dar unas nociones generales. Por ejemplo, las células que detectan el gusto ácido, reciben estímulos ante la presencia de protones disociados de ácidos (H+); las del gusto salado, detectan la presencia de iones sodio (Na+) y cloruro (Cl); las del gusto dulce detectan la presencia de moléculas de glucosa o sacarosa; etc. Merece la pena comentar el caso del glutamato monosódico (principal compuesto de la salsa de soja), que se utiliza como potenciador del sabor de muchos alimentos. Su efecto químico contribuye a rebajar el umbral de excitación de los receptores gustativos, con lo que se necesita menor cantidad de alimento para producir un fuerte efecto. 3URFHVRVQHXURVHQVRULDOHVVXSHULRUHV La salida de los receptores del gusto se unifica en el nervio del sabor, que se prolonga hacia el córtex atravesando varias zonas intermedias, que parecen actuar como simples repetidores. Al contrario que en el caso del olfato, no es necesario un proceso de amplificación tan importante, al estar disponible una mayor cantidad de sustancia excitadora. Los procesos superiores de identificación son, de nuevo, más simples que en el olfato y se ven muy influenciados por éste. En la Ilustración 8 se muestra una visión general de las conexiones nerviosas entre el bulbo olfativo, las células receptoras del gusto, y el córtex sensorial del olfato y el gusto. - 11 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 8. Esquema de las conexiones neuronales del olfato y el gusto con los centros correspondientes del córtex. 3DWRORJtDVUHODFLRQDGDVFRQHOROIDWR\HOJXVWR 7LSRV Las patologías más comunes relacionadas con el olfato y el gusto producen percepciones alteradas o inexistentes de olores o sabores. Dichas patologías pueden clasificarse en tres tipos: T Anosmia o ageusia: En la que se pierde completamente la capacidad de detectar olores o sabores T Hiposmia o hipogeusia: En la que la capacidad para detectar olores o sabores de algún tipo se ve disminuida T Trastornos en la percepción (anosmias o ageusias específicas): En los que los afectados perciben olores o sabores familiares de forma distinta o bien que no existen en realidad &DXVDV Aunque no todas son bien conocidas, la mayor parte de la gente que padece estas patologías han sufrido algún tipo de enfermedad o lesión. Fenómenos desencadenantes típicos son las infecciones en las vías respiratorias superiores y lesiones en la cabeza, además de la exposición a ciertos productos químicos (como insecticidas, disolventes, algunos medicamentos, etc.) también han sido asociados a patologías del olfato y el gusto. Finamente - 12 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO podemos también citar a aquellos enfermos que están recibiendo tratamientos agresivos de radioterapia por cánceres de cuello o cabeza. 0HFDQLVPRVGHGLDJQyVWLFR De forma similar a cómo se detectaban los problemas de audición, los científicos han desarrollado pruebas para determinar la extensión y naturaleza de las patologías del olfato y gusto que puede sufrir una persona. Dichas pruebas se diseñan para medir la cantidad más pequeña de elemento que puede detectar un paciente, así como su precisión a la hora de identificar diferentes olores y sabores. 7UDWDPLHQWR Las patologías del olfato y el gusto pueden ser, como ya hemos dicho, muy graves. La información que nos proporciona nuestro sentido del gusto sirve como una primera señal de aviso, alertándonos de posibles amenazas, como olores a humo, productos químicos perjudiciales o alimentos en mal estado. No menos importante es considerar cómo trastornos en el sentido del olfato y el gusto pueden servir de elementos de detección de enfermedades graves (como obesidad, diabetes, hipertensión, mal de Parkinson, mal de Alzheimer, esclerosis múltiple, etc.) Por ello, la investigación en el tratamiento de estas patologías es fundamental. Los programas de investigación actuales se centran en los siguientes aspectos: T Estudios de la fisiología de los mecanismos del olfato y el gusto T Efectos del envejecimiento en el sentido del olfato y el gusto T Investigación en nuevos medicamentos T Regeneración de células sensoriales y nerviosas T Estudios sobre los efectos del entorno T Desarrollo de nuevos métodos de diagnóstico T Estudios de la relación entre el olfato, el gusto y la memoria Sin embargo, no hay por el momento trabajos orientados al desarrollo de prótesis de sistemas olfativos o gustativos artificiales. La complejidad asociada es tremenda, y la funcionalidad que podrían ofrecer podría suplirse por sistemas de detección externos (detectores de gases, por ejemplo, en el caso del olfato). (OROIDWRDUWLILFLDO ,QWURGXFFLyQ La pregunta fundamental que cabría hacerse en este apartado es si un olfato artificial podrá alguna vez aproximarse a la sensibilidad y alcance del biológico. Por el momento, y como sucede con otros tipos de prótesis sensoriales, estamos muy lejos de tal objetivo. Todos los esfuerzos en este sentido deben partir de un conocimiento profundo de los mecanismos biológicos implicados. Ahí surge el problema fundamental: dichos mecanismos no son todavía completamente conocidos y, lo que es peor, no tenemos conocimiento sobre los complejos procesos que tienen lugar en zonas superiores del cerebro. El camino de la ingeniería para replicar sistemas biológicos, trata de imitar la arquitectura general de aquellos, aunque puede que no sea necesario replicar los últimos detalles minuciosamente, para conseguir resultados razonables. - 13 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO En la actualidad ya existen sistemas comerciales de varias empresas que van desde el control de calidad de alimentos y bebidas, hasta diagnóstico médico, control ambiental, seguridad y, como no, uso militar. Hasta ahora, grupos de expertos ayudados de cromatógrafos de gases y espectrómetros de masas son útiles para cuantificar los olores, pero el proceso es costoso en tiempo y dinero, con lo que es imprescindible que esos métodos tradicionales den paso a procedimientos más rápidos utilizando una nariz electrónica. Las narices electrónicas actuales son básicamente arrays de sensores químicos, que responden a un rango amplio de componentes, junto con técnicas avanzadas de procesamiento digital de señal y reconocimiento estadístico de patrones. Los precios oscilan entre los 20.000 y 100.000 dólares y su uso principal es, por el momento, en laboratorios. 'HILQLFLyQGHQDUL]HOHFWUyQLFD La definición generalmente aceptada de nariz electrónica fue propuesta en 1994: Una nariz electrónica es un instrumento que consiste en un conjunto de sensores electroquímicos con una especificidad parcial y un sistema adecuado de reconocimiento de patrones, capaz de reconocer olores simples o complejos. 8QSRFRGHKLVWRULDGHOROIDWRHOHFWUyQLFR Antes de 1920, no hay ningún trabajo en olfato artificial debido a la falta de instrumentación electrónica adecuada. En 1920 se postularon las primeras teorías sobre la posibilidad de detectar olores midiendo la carga eléctrica de una difusión de agua que contuviera la sustancia olorosa correspondiente, pero no se pudo llegar a fabricar ningún dispositivo basado en esa idea. El primer instrumento experimental que puede considerarse como “olfato electrónico” data de mediados de los años cincuenta, y consistía en un sensor electroquímico basado en un electrodo metálico en contacto con la superficie de una barra porosa saturada con un electrolito diluido. El principio en el que se basaba era un ejemplo de sensor de gases amperométrico y electroquímico. Aproximadamente en la misma época otros investigadores desarrollaron dispositivos similares basados en el uso de termistores recubiertos con distintos materiales. A mediados de los años sesenta se propusieron detectores basados en la modulación de la conductividad o del potencial de contacto. Sin embargo, el concepto de nariz electrónica, como un sistema inteligente basado en un conjunto de sensores químicos para clasificación de olores no apareció hasta los años 80, en los que los desarrollos simultáneos de sensores electrónicos y técnicas computacionales hicieron posible la posibilidad de su existencia. El término “nariz electrónica” no apareció en la literatura hasta finales de los 80, y en 1991 se celebró el primer worshop monográfico sobre el tema. $UTXLWHFWXUDGHXQDQDUL]HOHFWUyQLFD Una nariz electrónica típica es un sistema que consiste en varios componentes funcionales que operan en serie sobre una muestra olorosa: T Un sistema de suministro de material oloroso T Una cámara en la que se encuentra el array de sensores químicos T Un sistema electrónico que procesa la salida de los sensores químicos, convirtiéndola en señales eléctricas y acondicionando las características de la misma T Un sistema de conversión A/D - 14 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO T Un sistema de análisis basado en microprocesador, que ejecuta los procesos de detección y discriminación T Un sistema de visualización de los resultados En una nariz electrónica típica, una muestra de gas que contiene moléculas olorosas de la muestra se introduce en un pequeño contenedor en el que se encuentra el array de sensores. Tras la exposición del gas 6LVWHPDGHVXPLQLVWURGHPDWHULDORORURVR\FiPDUDGHVHQVRUHV Básicamente se trata de disponer de un mecanismo para llevar la muestra a analizar a la cámara en la que se encuentra el array de sensores. Las estrategias típicas son manuales, en las que el producto se inyecta en la cámara de forma manual, con los consiguientes problemas de error y lentitud que ello implica; o automáticas, en las que las moléculas olorosas se extraen de la zona en la que se encuentra la muestra a través de la inyección de un gas inerte que las arrastra hasta llevarlas a la cámara. Los sensores deben estar localizados en una cámara en la que se garanticen unas condiciones adecuadas para que trabajen correctamente. Principalmente se debe asegurar el adecuado aislamiento que impida que se introduzcan contaminantes y mantener la presión y temperatura adecuadas (estos parámetros son importantes o críticos en función del tipo de sensor utilizado). Además, el sistema debe contar con algún tipo de mecanismo de limpieza de la cámara, de forma que las medidas sucesivas se hagan partiendo de las mismas condiciones iniciales y se garantice la reproducibilidad de resultados (en la que intervienen más factores, por supuesto). 6HQVRUHV Son realmente el elemento clave del proceso, al igual que en la nariz biológica es clave el momento en el que las moléculas olorosas se “ensamblan” con las células olfativas receptoras adecuadas. El diseño de sensores de moléculas olorosas se debería basar en nuestro conocimiento de los mecanismos del sistema olfativo biológico, pero dado que dicho conocimiento no es lo suficientemente avanzado por el momento, los científicos e ingenieros abordan el problema desde un punto de vista eminentemente empírico, haciendo uso de los tipos de sensores que están disponibles y modificándolos para tratar de que cumplan los requisitos de esta tarea. Un sensor de olor debe: T Responder en un tiempo razonable (pocos segundos a lo sumo) T Recuperarse en un tiempo razonable, es decir, estar listo para una nueva medida T Tener un margen dinámico adecuado T Idealmente, responder de forma lineal a la concentración T Responder de forma reproducible a un determinado olor (con el tiempo, por envejecimiento, o cuando se usan distintos sensores del mismo tipo) T Tener una baja sensibilidad frente a cambios en las condiciones ambientales (temperatura, humedad y velocidad del flujo recibido, fundamentalmente) T Bajo coste - 15 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL T EL OLFATO Y EL GUSTO Capacidad para generar un patrón de respuesta diferenciable para cada muestra, y no tanto que su especifidad sea alta Los sensores químicos de olor pueden clasificarse en tres grandes grupos, atendiendo al material del que están compuestos: T Basados en materiales inorgánicos cristalinos o policristalinos (semiconductores, óxidos metálicos, etc.), robustos, generalmente funcionando a altas temperaturas T Basados en materiales orgánicos (polímeros), más flexibles y fáciles de modificar para enfrentarse a un mayor rango de condiciones, funcionando a temperatura ambiente T Basados en materiales biológicos, como proteínas, enzimas y anticuerpos, dotados de una sensibilidad mucho mayor, pero difíciles de estabilizar. Ilustración 9. Esquemas de sensores basados en conductividad Atendiendo ahora a los mecanismos de transducción utilizados, los sensores químicos de olor pueden basarse en medidas: T De propiedades eléctricas (corriente, capacidad, resistencia y tensión) T Del cambio en la masa (piezoeléctricos) T De la generación de calor T De cambios en las propiedades ópticas (absorción, fluorescencia y reflectividad) 5.4.2.1 Sensores de conductividad Se basan en el cambio en la conductividad de un material sensible cuando éste absorbe o reacciona con los gases presentes en su entorno (Ilustración 9). Dicho principio fue el primero que dio lugar a aplicaciones comerciales con cierto éxito. Los dos materiales sensibles más utilizados son: T Los basados en metal óxido semiconductor: Como el SnO2, al que se han añadido nuevos materiales como el ZnO, TiO2, etc. Sus características principales son: T Operan a altas temperaturas (200-400 ºC) T Son muy usados y disponibles comercialmente - 16 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL T EL OLFATO Y EL GUSTO T Su sensibilidad es razonablemente alta (5-500 ppm) T La “receta” del material activo se diseña para mejorar la respuesta a olores específicos T Presentan importantes problemas de deriva y contaminación Los basados en polímeros conductores, mucho más versátiles que los anteriores por el amplio rango de composiciones disponibles, que permiten diseñarlos para responder a un gran número de vapores orgánicos. Algunas de sus características son: T Operan a temperatura ambiente T Presentan muy alta sensibilidad (de 0,1 a 100 ppm) T Sus propiedades detectoras no constantes entre partidas T Tienen una alta sensibilidad a la humedad (mayor que los basados en metal óxido semiconductor) T Presentan tiempos de recuperación más lentos, ya que el gas se introduce en la muestra En la actualidad son sin duda los más extendidos comercialmente (Ilustración 10), ya que su coste, precisión y versatilidad compensan los problemas que presentan (problemas que pueden ser minimizados con un adecuado diseño del sistema completo). Ilustración 10. Sensores comerciales de conductividad (metal óxido semiconductor) 5.4.2.2 Sensores piezoeléctricos La familia de sensores piezoeléctricos tienen 2 miembros, los llamados QCM (quarz crystal microbalance) y los SAW (surface acoustic waves). Estos sistemas pueden medir típicamente temperatura, cambios de masa, presión, fuerza y aceleración, pero para el olfato electrónico están configurados para medir cambios de masa. El mecanismo de funcionamiento se basa en la piezoelectricidad de los materiales con los que se construyen, en los que la aplicación de un campo eléctrico da lugar a un cambio mecánico en el cristal, que puede hacerse oscilar a su frecuencia de resonancia. Dicha frecuencia se ve modificada, entre otros factores, por la masa del sensor, y es en ese factor en el que se basa la detección de sustancias olorosas. 5.4.2.2.1 Sensores QCM Los sensores QCM consisten en un disco resonante de unos pocos milímetros de diámetro con electrodos de metal en cada lado conectados a hilos. El dispositivo resuena a una frecuencia característica de 10 a 30 MHz. cuando se le aplica una señal oscilante, y durante la fabricación, una capa de polímero se aplica al disco para servir como material sensible activo. Así, cuando la sustancia - 17 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO olorosa se adsorba a la superficie del polímero, se incrementará la masa del sistema y, por tanto, se reducirá la frecuencia de resonancia, que es fácilmente medible. Ilustración 11. Sensor piezoeléctrico QCM típico Por ejemplo un cristal de 166 micras cortado en cierto eje resuena a 10 MHz. Un porcentaje de 0,01 de cambio de masa, implica un cambio negativo de 1 KHz en su frecuencia de resonancia. Con estos dispositivos se pueden detectar cambios en masa del orden del picogramo y son lineales en un amplio margen dinámico, siendo muy insensibles a cambios en la temperatura. La recuperación se consigue al exponer al resonador a un gas de referencia, con lo que la frecuencia de resonancia vuelve a su valor de base. El tiempo de respuesta y recuperación se minimiza reduciendo el tamaño y la masa del cristal de cuarzo, junto con el espesor de la capa polimérica, y la variabilidad de cada partida no es un problema, pues se mide frecuencia normalizada de cambio, una medida diferencial que quita el ruido del modo común. 5.4.2.2.2 Sensores SAW El dispositivo de onda acústica superficial puede considerarse “primo” del QCM pero difiere en varios puntos: T La piezoelectricidad se aprovecha para generar una onda de superficie (onda de Rayleigh), no a través del volumen del cristal como en los QCM T La frecuencia de funcionamiento de los SAW son mucho más altas y pueden generar un mayor cambio de la misma (cientos de MHz.) T Pueden medir cambios de masa del mismo orden de magnitud que los QCM, aunque el cambio de frecuencias es mayor, una mayor relación superficie-volumen implica que la relación SNR es peor. Por ello los SAW pueden ser menos sensibles que los QCM en algunos casos. El principio de funcionamiento es el siguiente: Una señal alterna aplicada en los dedos de metal de entrada crea una onda de superficie que se propaga sobre el sustrato piezoeléctrico. Cuando la onda llega a los dedos de metal receptor, se recibe la onda alterna con un cambio de fase que depende de la distancia recorrida. El cambio de fase depende entre otras cosas de las propiedades de absorción de masa de la capa de polímero y de la masa de la sustancia olorosa adsorbida. - 18 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Al ser planares, los dispositivos SAW pueden fabricarse con fotolitografía (métodos de la industria de microelectrónica) y además el procedimiento de fabricación es menos costoso al ser sólo de 2 dimensiones. Una desventaja de dispositivos QCM y SAW es que se necesita electrónica más compleja para la detección. Otra es que la membrana activa puede variar las propiedades con la edad de la misma. 5.4.2.3 Sensores basados en efecto de campo El dispositivo Mosfet se basa en el principio de que moléculas olorosas en contacto con un metal catalizador puede producir reacción en el metal. Así, el producto de la reacción puede difundirse a través de la puerta de un Mosfet para cambiar las propiedades eléctricas del dispositivo. La sensibilidad y selectividad de los dispositivos pueden optimizarse variando el tipo y grosor del metal catalizador y haciéndolos funcionar a distintas temperaturas. Aunque se han investigado en numerosas aplicaciones, pocos se han usado en sistemas comerciales, por la escasez de materiales sensores. La ventaja de MOSFET es que pueden integrarse en fabricación de circuitos integrados, por lo que la variación de partida a partida puede minimizarse. Los sensores MOSFET también tienen variaciones con el tiempo que son similares a los sensores de conductividad. 5.4.2.4 Sensores ópticos Los sensores ópticos se basan en la utilización de fibras ópticas, cuyas propiedades de transmisión, reflexión, luminiscencia, etc., se modifican por la presencia de materiales químicamente activos en sus laterales o en sus extremos. Por ejemplo, en el sensor mostrado en la Ilustración 12, una fuente de luz de una única frecuencia o banda estrecha de frecuencia se usa para interrogar al material activo, que a su vez responde con un cambio de color a la presencia de sustancias olorosas. Es el cambio en la longitud de onda lo que es mensurable y permite cuantificar la presencia del olor. Ilustración 12. Sensor óptico El material activo contiene pigmentos químicamente activos inmovilizados en una estructura de un polímero, que al interaccionar con las moléculas olorosas, altera la polaridad de los pigmentos y éstos responden cambiando el espectro de la luz emitida por ellos. Cuando un pulso de luz de una fuente externa interroga al sensor, el pigmento fluorescente responde emitiendo luz a diferente frecuencia. - 19 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Una de las ventajas de este sistema es que existen muchos diferentes tintes o pigmentos usados en investigación biológica, así que los sensores en sí, son baratos y fáciles de fabricar. Igualmente, estos dispositivos son insensibles a interferencias electrónicas y permiten un reducido tamaño del sistema completo. Una desventaja es la complejidad de la instrumentación del sistema de medida que añade coste al sistema y su tiempo de vida limitado debido a la pérdida de color con el tiempo. Los pigmentos se van consumiendo lentamente con el tiempo, de la misma manera que la luz consume el color de la ropa. 5.4.2.5 Otros Además de los mencionados anteriormente, existen otros sensores menos utilizados en la actualidad, o que son objeto de intensa investigación: T Sensores electroquímicos, basados en procesos de oxidación y reducción electroquímica de las sustancias a detectar. T Sensores de temperatura, basados en la medición de la concentración de moléculas de combustible, detectando el incremento de calor producido en la reacción de oxidación correspondiente T Sensores biológicos, basados en transductores químicos que incorporan un elemento de carácter biológico T Micropalancas, en las que un haz láser mide la desviación de una palanca recubierta de una sustancia sensible al adsorber moléculas olorosas (aunque hay otras aproximaciones) Ilustración 13. Sensor basado en micropalancas 5.4.2.6 Arrays de sensores Obviamente, no hay un “sensor ideal” de olor. La mejor aproximación al problema de la construcción de una nariz electrónica se basa en el uso de conjuntos de sensores de distintos tipos dentro del mismo sistema detector. Ello implica una mayor complejidad debido a la necesidad de integrar distintos mecanismos de medición, adaptación de señales y procesado, pero tiene como ventaja fundamental su capacidad para responder a un amplio rango de condiciones ambientales y parámetros moleculares. Todos los trabajos actuales (de investigación y los centrados en producción de sistemas comerciales) se basan en el uso de un cierto número de sensores simultáneamente (menos de 30 en general), y todos ellos del mismo tipo. Es de esperar un considerable avance en este terreno cuando la tecnología de integración de sensores heterogéneos madure. - 20 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO 5.4.2.7 El futuro Si llegáramos a un profundo conocimiento de la fisiología del olfato biológico y domináramos los procesos de construcción de sistemas híbridos electrónicos y biológicos, los biosensores podrían acomodar un amplio espectro de receptores moleculares, lo que junto con el empleo de sofisticadas aproximaciones basadas en redes neuronales permitirían un claro avance en nuevos y potentes instrumentos: narices y lenguas bioelectrónicas. El conjunto de biosensores junto con un potente software discriminador de patrones debería ser capaz de discernir las demandas analíticas más exigentes. Los adelantos más prometedores están consistiendo en llegar a un compromiso entre el avance en la obtención de biosensores o estructuras biomiméticas adecuadas e instrumentos analíticos asociados más sofisticados. Estamos hablando de una interacción de conocimientos en bioquímica, biología y fisiología, por un lado; y de tecnología de biosensores, procesado de señales, identificación de patrones, etc., por otro lado. En definitiva, tanto la percepción de olores en biología como el diseño de narices bioelectrónicas son dos campos fascinantes dentro del I+D más actual. Los futuros éxitos se construirán sobre la base de la curiosidad de los científicos en obtener conocimientos básicos de aspectos estructurales y funcionales de los sistemas químico-sensoriales naturales, y también en profundizar nuevos diseños híbridos más complejos que permitan discernir las similitudes y diferencias entre los sistemas biológicos y tecnológicos. $GDSWDFLyQGHVHxDOHV\FRQYHUVLyQ$' No es objeto de esta asignatura entrar en detalles específicos en este apartado, y únicamente comentaremos que las magnitudes eléctricas extraídas del conjunto de sensores deben ser adaptadas a las condiciones idóneas para facilitar el proceso de conversión analógico-digital imprescindible para el proceso de detección e identificación de los olores presentes en la muestra. Dichos procesos comprenden etapas como el filtrado en frecuencia, amplificación, reducción de ruido, etc., así como técnicas específicas de compensación de derivas con la temperatura, la humedad, análisis diferencial, etc. 3URFHVRGHVHxDOGHROIDWR\UHFRQRFLPLHQWRGHSDWURQHV La tarea de una nariz electrónica es identificar una muestra de olores y quizás calcular su concentración, lo que básicamente implica la aplicación de tareas de proceso de señal y reconocimiento de patrones. Estos dos pasos pueden subdividirse en otros cuatro: preproceso, extracción de parámetros (reducción de dimensionalidad), clasificación y toma de decisiones (Ilustración 14). Ilustración 14. Procesos implicados en la identificación de olores El primer proceso necesario es la evaluación del sistema frente a olores reales (aquellos que se desean detectar), de modo que se puedan configurar los parámetros que regulan el funcionamiento global. - 21 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO 5.4.4.1 Preproceso de señal La etapa de preproceso de señal trata de compensar posibles desviaciones de los sensores, comprime la respuesta transitoria del array de sensores y reducir las variaciones que se producen de muestra a muestra. Las técnicas típicas en este caso incluyen: T Manipulación de las salidas de los sensores T Normalización de los rangos de salida (la constante de normalización se usa a veces para calcular la concentración del olor) T Compresión de los transitorios del sensor. 5.4.4.2 Reducción de dimensionalidad (Parametrización) La extracción de parámetros tiene dos misiones: la reducción de la dimensionalidad del espacio de medida y la extracción de la información relevante para el reconocimiento de patrones. La reducción de dimensionalidad es una etapa crucial en los sistemas de reconocimiento de patrones, sobre todo en aquellos en los que los datos para estimar los modelos con los que se compararán las muestras son limitados, y los parámetros sobre los que estimar son muchos. Así por ejemplo, en una nariz electrónica con 32 sensores, el espacio de medida tiene 32 dimensiones. Este espacio puede causar problemas estadísticos (entrenamiento defectuoso de los patrones) si la base de datos de olores contiene sólo unas pocas muestras (típico en problemas de reconocimiento de patrones por el corte de la recolección de datos). Además, y ya que muy posiblemente los sensores tengan sensibilidades solapadas, existe un alto grado de redundancia en esas 32 dimensiones. Por ello, es conveniente proyectar las 32 dimensiones sobre unos pocos ejes (parámetros) informativos e independientes. La extracción de parámetros se realiza generalmente con transformaciones lineales, como en los métodos de análisis de componentes principales (PCA: Principal Component Analysis) y análisis discriminante lineal (LDA: Linear discriminant analysis). El método PCA encuentra proyecciones de máxima varianza y es el método más ampliamente utilizado, pero no es óptimo, pues ignora la identidad (etiqueta) de las clases de la base de datos (y esa es una fuente fundamental de información útil). LDA por el contrario mira a la etiqueta de cada ejemplo. Su objetivo es encontrar las proyecciones que maximizan la distancia entre ejemplos de distintas muestras olorosas minimizando la distancia entre ejemplos de la misma clase. Otros grupos de investigación han adoptado recientemente transformaciones no lineales, como las transformaciones de Sammon o las de Kohonen auto organizativas. 5.4.4.3 Clasificación Una vez que los ejemplos de olores se han proyectado en un espacio de baja dimensión apropiado, la fase de clasificación puede entrenarse para identificar los patrones que representan cada olor. Cuando el sistema se encuentra con un olor no identificado, la etapa de clasificación será capaz de asignarle una etiqueta al comparar un patrón con los patrones compilados durante el entrenamiento. Los métodos clásicos de realizar la clasificación son el de K vecinos más próximos (KNN: K nearest neighbours), la clasificación bayesiana y las redes neuronales artificiales (ANN). En el caso de KNN, para un K igual a 5 por ejemplo, el clasificador encontrará los 5 ejemplos más cercanos de la base de datos al olor no identificado y se le asignará la etiqueta que tenga mayoría dentro de los 5 ejemplos. Los clasificadores bayesianos construyen primero una función densidad de probabilidad para cada clase en el espacio de baja-dimensionalidad, y cuando se le presenta un olor no identificado, elige la clase que maximiza la distribución de probabilidad precalculada. - 22 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Un clasificador neuronal artificial típico consiste en dos o más capas de neuronas que se conectan con pesos sinápticos las salidas de unas a las entradas de la siguiente capa. Durante el entrenamiento, la red neuronal artificial adapta los pesos sinápticos para aprender los modelos de los diferentes olores. Después del entrenamiento, cuando se le presenta con un olor no identificado, la red alimenta sus valores a las neuronas y se le asigna el olor que tenga mayor valor en la respuesta. 5.4.4.4 Toma de decisiones Los clasificadores producen una estimación de la clase de la muestra y, en ocasiones, una estimación de la fiabilidad del dato (un valor que indica la confianza que tiene el sistema en la decisión tomada). El proceso de decisión final tiene como misión refinar la misma, utilizando información adicional (como por ejemplo el valor de confianza), si se dispone de algún dato específico de la aplicación, como umbrales de confianza o riesgo asociado con distintos errores. El módulo de decisión puede determinar otra decisión distinta de la de los clasificadores e incluso determinar que la muestra de olor no pertenece a ninguna de la que están en la base de datos. (OROIDWRHQXQFKLS En la actualidad la idea del Sistema en un Chip (SOC: System On Chip) es una realidad en muchas aplicaciones, y el olfato electrónico es uno de ellos. Como ejemplo podemos citar el chip creado por el Instituto Suizo de Tecnología de Zurcí que podría caber en un reloj de pulsera. Este chip incluye sensores de olor, sistemas micro electromecánicos y circuitos electrónicos integrados en un solo chip (Ilustración 15) Ilustración 15. Nariz electrónica en un chip. El chip del ejemplo utiliza dos elementos sensores: T micropalancas en las que lo que se mide es la variación en su frecuencia de oscilación cuando el material oloroso reacciona con el polímero con el que están recubiertas. - 23 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 16. Micropalancas en las que se mide la variación de la frecuencia de oscilación T Sensores de capacidad El chip incluye también circuitería de adaptación de las señales procedentes de los sensores y las interfaces correspondientes con el sistema externo. Es en esta línea donde se prevén los mayores avances en sensores de olor: la miniaturización que permitirá la integración de estos dispositivos en aplicaciones portátiles. $SOLFDFLRQHVGHODQDUL]HOHFWUyQLFD Las aplicaciones de la nariz electrónica son numerosas: automoción, salud, control de entorno, sector farmacéutico, perfumería, seguridad y aplicaciones militares. En alimentación, puede usarse en chequeo de frescura de los mismos, control de calidad, análisis de materias primas entrantes, junto con realimentación de control para optimizar bioreactores y minimizar cambios entre diferentes partidas, y monitorización de contaminación accidental o intencionada de productos. Las narices electrónicas son buenas para comparar productos finales con productos de referencia y reemplazar paneles expertos humanos en algunos casos. El chequeo de comida fresca es importante para los mayores, que pierden el olfato con la edad. En tareas de diagnóstico, el olor se ha usado durante siglos por los médicos. Una nariz electrónica puede usarse para analizar aliento, sudor, orina. La primera prioridad es el diagnóstico rápido para detectar infecciones agudas a través del análisis de aliento, y el análisis de cultivos de bacterias para la detección temprana de patógenos. La monitorización del olor corporal y de heridas podría mejorar los tratamientos en hospitales. En la industria farmacéutica, la nariz electrónica puede utilizarse para analizar materias primas de entrada, para monitorizar procesos de producción y para mantener la seguridad en áreas de almacenamiento y distribución, determinación de la fuente de olores desagradables en productos farmacéuticos, etc. En seguridad, puede utilizarse para detectar agentes tóxicos y biológicos, análisis de pasajeros para buscar explosivos, contrabando de drogas, detección de agentes biológicos y químicos, etc. En calidad de vida, se puede monitorizar la calidad del aire, emisiones industriales, entornos nocivos, y en esto puede competir con humanos entrenados. - 24 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO 3ULQFLSDOHVSUREOHPDVGHXQVLVWHPDGHQDUL]HOHFWUyQLFD Algunos de los problemas más importantes con los que se enfrentan los investigadores en este área son: T Concentración de la muestra sin pérdida de olor. T Arrays más sensibles para aplicaciones especiales. T Sistemas 100 veces mejores en los polímeros conductores podrían permitir una nariz artificial portátil equivalente a la humana. T Sistemas de 10 a 100 veces más rápido en tiempo de recuperación que los actuales para aplicarse en muchas aplicaciones de mucho volumen. T Desviaciones menores del 5% en su tiempo de vida así como de una partida a otra. (OJXVWRDUWLILFLDO 'HILQLFLyQGH´OHQJXDHOHFWUyQLFDµ Podemos definir una lengua electrónica como un instrumento analítico que reproduce de forma artificial la sensación del sabor. Estos instrumentos normalmente constan de varios componentes: 1) un muestreador automático; 2) un conjunto de sensores químicos de distinta especificidad; 3) instrumentación para adquirir la señal, y 4) el software con los algoritmos apropiados para procesar la señal obtenida y obtener los resultados deseables según se requiera un análisis cualitativo o cuantitativo. )XQFLRQDPLHQWRGHODOHQJXDHOHFWUyQLFD\DSOLFDFLRQHV El funcionamiento de una lengua electrónica es prácticamente idéntico al de una nariz electrónica. La diferencia más importante radica en que el medio de detección suele ser líquido y que las moléculas a detectar son de distinto tipo (los procesos químicos varían). Por lo demás, los sistemas son muy similares, así que no entraremos en detalles en este apartado. Por otro lado, el hecho de que el gusto sea menos potente que el olfato hace que el mayor interés se concentre en éste último. Por supuesto, la investigación y desarrollo de las lenguas electrónicas es actualmente muy extenso. Los grupos que han trabajado tradicionalmente en el campo de sensores y de sistemas de tratamiento de datos son los principales que abren líneas de desarrollo en este campo. El tipo de sensores más usuales son los electroquímicos, entre ellos los potenciométricos y voltamperométricos. Los sensores electroquímicos ofrecen una gran versatilidad –pueden detectar especies iónicas y moleculares–, se pueden introducir en muestras no homogéneas y son sencillos de manipulación. Actualmente existen en el mercado varios instrumentos que actúan como lenguas electrónicas. Las aplicaciones son también similares a las del olfato electrónico, centradas en medios líquidos. Por ejemplo, hay experiencias en la clasificación de aguas minerales (Ilustración 17) - 25 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO Ilustración 17. Resultados de una lengua electrónica en la identificación de aguas minerales. A través de estos ejemplos se demuestra cómo los sensores pueden utilizarse para la medida de alimentos, tanto desde el punto de vista cuantitativo, analizando algún compuesto determinado, como desde el punto de vista cualitativo, obteniendo un patrón de respuesta según el sabor. )XVLyQVHQVRULDO En la actualidad hay muchos trabajos de investigación orientados hacia la integración de información de distintos sistemas sensoriales artificiales, en procesos de detección complejos. Así por ejemplo, se podría pensar en el desarrollo de una cabeza artificial, en la que interactuaran sentidos artificiales de la vista, el olfato y el gusto, combinados con la existencia de una boca artificial que permitiera la detección de las cualidades físicas de la muestra (temperatura, dureza, elasticidad, etc.) La motivación es clara: los sentidos humanos están fuertemente conectados en el cerebro y dan lugar a asociaciones basadas en la integración de experiencias previas, con lo que es de esperar que la integración de sentidos artificiales dé lugar a nuevas exploraciones más allá de las que podemos imaginar en estos momentos. &XULRVLGDGHV (OROIDWRHQFLIUDV Se incluyen en este apartado algunas cifras de interés sobre el sentido del olfato: T Número de células receptoras del olfato humano 6 · 106 T Número de células receptoras del olfato canino 109 T Área del epitelio olfativo humano 3-4 cm2 T Área del epitelio olfativo canino 18-150 cm2 - 26 - INGENIERÍA NEUROSENSORIAL EL OLFATO Y EL GUSTO T Grosor de la capa mucosa del epitelio olfativo 20-50 µ T Diámetro de los axones receptores olfativos 0,1-0,2 µ T Diámetro de las células receptoras olfativas del extremo distal 1µ T Diámetro de la célula receptora olfativa 40-50 µ T Número de cilios por célula receptora olfativa 10-30 T Longitud de los cilios de una célula receptora olfativa 100-150 µ T Concentración umbral para la detección del almizcle 0.00004 mg/l aire (OJXVWRHQFLIUDV Se incluyen en este apartado algunas cifras de interés sobre el sentido del gusto: 104 T Número total de papilas gustativas (lengua, paladar, mejillas) T Número total de papilas gustativas en la lengua 9 · 103 T Altura de una papila gustativa 50-100 µ T Diámetro de una papila gustativa 30-60 µ T Número de receptores de cada papila gustativa 50-150 T Diámetro del receptor gustativo 10 µ T Diámetro de la fibra gustativa <4µ &XULRVLGDGHVGHOROIDWR T Bebés de un día muestran expresiones faciales que indican rechazo cuando se les presentan alimentos en mal estado T Los perros pueden distinguir el olor de camisetas de gemelos no idénticos T Los niños pueden distinguir el olor de sus hermanos y otros niños de su misma edad T Los bebés reconocen el olor de aliento de sus madres y viceversa. T La emoción se puede comunicar por el olor T Los perros y caballos son capaces de detectar el “miedo” en los humanos. T Las mujeres pueden diferenciar el olor del sudor de personas que están viendo películas tristes o alegres T La memoria se asocia frecuentemente con el olor. - 27 -
