Implantes e outras tecnologias que decodificam a atividade neural podem restaurar a capacidade das pessoas de se mover, falar, e ajudar os pesquisadores a compreender como o cérebro funciona.
Movendo um braço protético, controlando um avatar falante, digitando em velocidade. Todas essas são coisas que as pessoas com paralisia aprenderam a fazer usando interfaces cérebro-computador (BCIs) – dispositivos implantados que são alimentados apenas pelo pensamento.
Esses dispositivos capturam a atividade neural usando dezenas a centenas de eletrodos embutidos no cérebro. Um sistema decodificador analisa os sinais e os traduz em comandos.
Embora o principal impulso por trás do trabalho seja ajudar a restaurar funções em pessoas com paralisia , a tecnologia também oferece aos pesquisadores uma maneira única de explorar como o cérebro humano é organizado, e com maior resolução do que a maioria dos outros métodos.
Os cientistas aproveitaram essas oportunidades para aprender algumas lições básicas sobre o cérebro. Os resultados estão a derrubar suposições sobre a anatomia do cérebro, por exemplo, revelando que as regiões têm frequentemente limites e descrições de funções muito mais imprecisas do que se pensava. Esses estudos também estão a ajudar os investigadores a descobrir como os próprios BCI afectam o cérebro e, principalmente, como melhorar os dispositivos.
“As BCIs em humanos deram-nos a oportunidade de registar a actividade de um único neurónio para muitas áreas do cérebro que ninguém alguma vez foi capaz de fazer desta forma”, diz Frank Willett, neurocientista da Universidade de Stanford, na Califórnia, que está a trabalhar num estudo. BCI para fala.
Os dispositivos também permitem medições durante períodos de tempo muito mais longos do que as ferramentas clássicas, diz Edward Chang, neurocirurgião da Universidade da Califórnia, em São Francisco. “Os BCIs estão realmente ultrapassando os limites, sendo capazes de registrar não apenas dias, semanas, mas meses, anos de cada vez”, diz ele. “Assim, você pode estudar coisas como aprender, pode estudar coisas como plasticidade, pode aprender tarefas que exigem muito, muito mais tempo para serem compreendidas.”
História registrada
A ideia de que a atividade elétrica do cérebro humano poderia ser registrada ganhou apoio pela primeira vez há 100 anos. O psiquiatra alemão Hans Berger colocou eletrodos no couro cabeludo de um garoto de 17 anos cuja cirurgia para tratar um tumor cerebral deixou um buraco em seu crânio. Quando Berger registrou acima dessa abertura, ele fez a primeira observação das oscilações cerebrais e deu um nome à medição: EEG (eletroencefalograma).
Os pesquisadores perceberam imediatamente que a gravação de dentro do cérebro poderia ser ainda mais valiosa; Berger e outros usaram cirurgia para colocar eletrodos na superfície do córtex para estudar o cérebro e diagnosticar a epilepsia. O registro a partir de eletrodos implantados ainda é um método padrão para identificar onde as crises epilépticas começam, para que a condição possa ser tratada com cirurgia. Os dispositivos de leitura cerebral que ajudam pessoas paralisadas a se mover, falar e tocar
Então, na década de 1970, os pesquisadores começaram a usar sinais gravados no interior do cérebro dos animais para controlar máquinas externas, dando origem às primeiras interfaces cérebro-máquina implantadas.
Em 2004, Matt Nagle, que ficou paralisado após uma lesão na coluna vertebral, tornou-se a primeira pessoa a receber um sistema BCI invasivo de longo prazo que utilizava múltiplos eléctrodos para registar a actividade de neurónios individuais no seu córtex motor primário 1 . Nagle foi capaz de usar seu sistema para abrir e fechar uma mão protética e realizar tarefas básicas com um braço robótico.
Os pesquisadores também usaram leituras de EEG – coletadas por meio de eletrodos não invasivos colocados no couro cabeludo de uma pessoa – para fornecer sinais para BCIs. Estas permitiram que pessoas paralisadas controlassem cadeiras de rodas, braços robóticos e dispositivos de jogos, mas os sinais são mais fracos e os dados menos fiáveis do que com dispositivos invasivos.
Até agora, cerca de 50 pessoas tiveram um BCI implantado e os avanços na inteligência artificial, nas ferramentas de descodificação e no hardware impulsionaram o campo para a frente.
Os conjuntos de eletrodos, por exemplo, estão se tornando mais sofisticados. Uma tecnologia chamada Neuropixels ainda não foi incorporada a uma BCI, mas está em uso para pesquisas fundamentais. O conjunto de eletrodos de silício, cada um mais fino que um fio de cabelo humano, possui quase 1.000 sensores e é capaz de detectar sinais elétricos de um único neurônio. Os investigadores começaram a utilizar matrizes de Neuropixels em animais há sete anos, e dois artigos publicados nos últimos três meses demonstram a sua utilização para questões que só podem ser respondidas em humanos : como o cérebro produz e percebe sons vocálicos na fala.
A atividade comercial também está aumentando. Em janeiro, a Neuralink, empresa de neurotecnologia com sede na Califórnia e fundada pelo empresário Elon Musk, implantou pela primeira vez um BCI numa pessoa . Tal como acontece com outros BCIs, o implante pode gravar neurônios individuais, mas, diferentemente de outros dispositivos, possui uma conexão sem fio a um computador.
E embora o principal impulsionador seja o benefício clínico, estas janelas para o cérebro revelaram algumas lições surpreendentes sobre a sua função ao longo do caminho.
Limites confusos
Os livros didáticos geralmente descrevem regiões cerebrais como tendo limites ou compartimentos discretos. Mas as gravações do BCI sugerem que nem sempre é esse o caso.
No ano passado, Willett e sua equipe usaram um implante BCI para geração de fala em uma pessoa com doença do neurônio motor (esclerose lateral amiotrófica). Eles esperavam descobrir que os neurônios em uma área de controle motor chamada giro pré-central seriam agrupados dependendo dos músculos faciais aos quais estavam sintonizados – mandíbula, laringe, lábios ou língua. Em vez disso, os neurónios com alvos diferentes foram confusos. “A anatomia estava muito misturada”, diz Willett.
Eles também descobriram que a área de Broca, uma região do cérebro que se acredita ter um papel na produção e articulação da fala, continha pouca ou nenhuma informação sobre palavras, movimentos faciais ou unidades sonoras chamadas fonemas. “Parece surpreendente que não esteja realmente envolvido na produção da fala em si”, diz Willett. Descobertas anteriores usando outros métodos sugeriram esse quadro mais matizado.
Num artigo de 2020 sobre movimento , Willett e os seus colegas registaram sinais em duas pessoas com diferentes níveis de limitação de movimento, concentrando-se numa área do córtex pré-motor responsável pelo movimento das mãos. Eles descobriram, ao usar uma BCI, que a área contém códigos neurais para todos os quatro membros juntos, e não apenas para as mãos, como se presumia anteriormente. Isto desafia a ideia clássica de que as partes do corpo estão representadas no córtex cerebral num mapa topográfico, uma teoria que está incorporada na educação médica há quase 90 anos.
“Isso é algo que você só veria se fosse capaz de registrar a atividade de um único neurônio em humanos, o que é tão raro”, diz Willett.
Nick Ramsey, neurocientista cognitivo do Centro Médico Universitário de Utrecht, na Holanda, fez observações semelhantes quando a sua equipa implantou um BCI numa parte do córtex motor que corresponde ao movimento da mão. O córtex motor em um hemisfério do cérebro normalmente controla os movimentos no lado oposto do corpo. Mas quando a pessoa tentou mover a mão direita, eletrodos implantados no hemisfério esquerdo captaram sinais tanto para a mão direita quanto para a esquerda, uma descoberta inesperada, diz Ramsey. “Estamos tentando descobrir se isso é importante” para fazer movimentos, diz ele.A ascensão da tecnologia de leitura cerebral: o que você precisa saber
O movimento depende de muita coordenação e a atividade cerebral precisa sincronizar tudo, explica Ramsey. Estender um braço afeta o equilíbrio, por exemplo, e o cérebro tem de gerir essas mudanças em todo o corpo, o que poderia explicar a atividade dispersa. “Há muito potencial nesse tipo de pesquisa que não tínhamos pensado antes”, diz ele.
Para alguns cientistas, estas fronteiras anatómicas confusas não são surpreendentes. A nossa compreensão do cérebro baseia-se em medições médias que pintam uma imagem generalizada de como este órgão complexo está organizado, diz Luca Tonin, engenheiro de informação da Universidade de Pádua, em Itália. Os indivíduos estão fadados a divergir da média.
“Nossos cérebros parecem diferentes nos detalhes”, diz Juan Álvaro Gallego, neurocientista do Imperial College London.
Para outros, as conclusões de um número tão pequeno de pessoas devem ser interpretadas com cautela. “Precisamos considerar tudo o que estamos aprendendo com cautela e colocá-lo em contexto”, diz Chang. “Só porque podemos gravar a partir de neurônios individuais não significa que esses sejam os dados mais importantes ou toda a verdade.”
Pensamento flexível
A tecnologia BCI também ajudou os pesquisadores a revelar padrões neurais de como o cérebro pensa e imagina.
Christian Herff, neurocientista computacional da Universidade de Maastricht, na Holanda, estuda como o cérebro codifica a fala imaginada. Sua equipe desenvolveu um implante BCI capaz de gerar fala em tempo real quando os participantes sussurram ou imaginam falar sem mover os lábios ou emitir nenhum som. Os sinais cerebrais captados pelo dispositivo BCI tanto na fala sussurrada quanto na fala imaginada eram semelhantes aos da fala falada. Partilham áreas e padrões de atividade, mas não são iguais, explica Herff.
Isso significa, diz ele, que mesmo que alguém não consiga falar, ainda assim poderá imaginar a fala e trabalhar um BCI. “Isso aumenta drasticamente o número de pessoas que poderiam usar tal BCI de fala em bases clínicas”, diz Herff.
O facto de as pessoas com paralisia reterem os programas de fala ou movimento, mesmo quando os seus corpos já não conseguem responder, ajuda os investigadores a tirar conclusões sobre o quão plástico é o cérebro – isto é, até que ponto pode remodelar e remodelar as suas vias neurais.
Sabe-se que lesões, traumas e doenças cerebrais podem alterar a força das conexões entre os neurônios e fazer com que os circuitos neurais se reconfigurem ou façam novas conexões. Por exemplo, o trabalho em ratos com lesões na medula espinal demonstrou que regiões do cérebro que antes controlavam membros agora paralisados podem começar a controlar partes do corpo que ainda estão funcionais.
Mas os estudos da BCI turvaram este quadro. Jennifer Collinger, engenheira neural da Universidade de Pittsburgh, na Pensilvânia, e seus colegas usaram uma BCI intracortical em um homem de 30 anos que sofreu uma lesão na medula espinhal. Ele ainda consegue mover o pulso e o cotovelo, mas seus dedos estão paralisados.
A equipe de Collinger notou que os mapas originais da mão estavam preservados em seu cérebo . Quando o homem tentou mover os dedos, a equipe percebeu atividade na área motora, embora sua mão não se movesse de fato.
“Vemos a organização típica”, diz ela. “Se eles mudaram alguma coisa antes ou depois da lesão, um pouco, não podemos dizer.” Isso não significa que o cérebro não seja plástico, observa Collinger. Mas algumas áreas do cérebro podem ser mais flexíveis a este respeito do que outras. “Por exemplo, a plasticidade parece ser mais limitada no córtex sensorial em comparação com o córtex motor”, acrescenta ela.
Em condições em que o cérebro está danificado, como o acidente vascular cerebral, os BCIs podem ser utilizados juntamente com outras intervenções terapêuticas para ajudar a treinar uma nova área cerebral para substituir uma região danificada. Nessas situações, “as pessoas realizam tarefas modulando áreas do cérebro que originalmente não evoluíram para isso”, diz José del R. Millán, engenheiro neural da Universidade do Texas em Austin, que estuda como implantar o BCI- Plasticidade induzida na reabilitação.
Num ensaio clínico, Millán e os seus colegas treinaram 14 participantes com AVC crónico — uma doença de longa duração que começa 6 meses ou mais após um AVC, marcada por um abrandamento no processo de recuperação — para utilizar BCIs não invasivos durante 6 semanas .Abandonado: o custo humano do fracasso da neurotecnologia
Num grupo, o BCI foi conectado a um dispositivo que aplicava correntes elétricas para ativar nervos em músculos paralisados, uma técnica terapêutica conhecida como estimulação elétrica funcional (FES). Sempre que o BCI decodificava as tentativas dos participantes de estender as mãos, estimulava os músculos que controlam a extensão do punho e dos dedos. Os participantes do grupo controle tiveram a mesma configuração, mas receberam estimulação elétrica aleatória.
Usando imagens de EEG, a equipe de Millán descobriu que os participantes que usaram FES guiada por BCI aumentaram a conectividade entre áreas motoras no hemisfério cerebral afetado em comparação com o grupo de controle. Com o tempo, os participantes do BCI-FES tornaram-se capazes de estender as mãos e a recuperação motora durou de 6 a 12 meses após o término da terapia de reabilitação baseada no BCI.
O que os BCIs fazem ao cérebro
No estudo de Millán, o BCI ajudou a impulsionar a aprendizagem no cérebro. Este ciclo de feedback entre o ser humano e a máquina é um elemento-chave dos BCIs, que pode permitir o controle direto da atividade cerebral. Os participantes podem aprender a ajustar seu foco mental para melhorar a saída do decodificador em tempo real.
Embora a maior parte da investigação se concentre na otimização dos dispositivos BCI e na melhoria do seu desempenho de codificação, “pouca atenção tem sido dada ao que realmente acontece no cérebro quando se usa a coisa”, diz Silvia Marchesotti, neuroengenheira da Universidade de Genebra, na Suíça.
Marchesotti estuda como o cérebro muda quando as pessoas usam um BCI para geração de linguagem – olhando não apenas nas regiões onde o BCI está localizado, mas de forma mais ampla. A sua equipa descobriu que, quando 15 participantes saudáveis foram treinados para controlar um BCI não invasivo durante 5 dias, a atividade cerebral aumentou em bandas de frequência conhecidas por serem importantes para a linguagem e tornou-se mais concentrada ao longo do tempo 12 .
Uma possível explicação poderia ser que o cérebro se torna mais eficiente no controle do dispositivo e requer menos recursos neurais para realizar as tarefas, diz Marchesotti.
Estudar como o cérebro se comporta durante o uso da BCI é um campo emergente, e os pesquisadores esperam que isso beneficie o usuário e melhore os sistemas BCI. Por exemplo, registrar a atividade cerebral permite aos cientistas detectar se eletrodos extras são necessários em outros locais de decodificação para melhorar a precisão.
Compreender mais sobre a organização do cérebro pode ajudar a construir decodificadores melhores e evitar que cometam erros. Em uma pré-impressão publicada no mês passado , Ramsey e seus colegas mostraram que um decodificador de fala pode ficar confuso entre um usuário falar uma frase e ouvi-la. Eles implantaram BCIs no córtex sensório-motor ventral uma área comumente alvo de decodificação de fala em cinco pessoas submetidas a cirurgia de epilepsia. Eles descobriram que os padrões de atividade cerebral observados quando os participantes falavam um conjunto de frases se assemelhavam muito aos observados quando ouviam uma gravação das mesmas frases. Isto implica que um decodificador de fala pode não ser capaz de diferenciar entre palavras ouvidas e faladas ao tentar gerar fala.
O âmbito da investigação actual do BCI ainda é limitado, com ensaios a recrutar um número muito pequeno de participantes e a concentrar-se principalmente em regiões cerebrais envolvidas na função motora.
“Há pelo menos dez vezes mais pesquisadores trabalhando em BCIs do que pacientes que usam BCIs”, diz Herff.
Os pesquisadores valorizam as raras chances de registrar diretamente dos neurônios humanos, mas são motivados pela necessidade de restaurar a função e atender às necessidades médicas. “Isso é neurocirurgia”, diz Collinger. “Não deve ser encarado levianamente.”
Para Chang, o campo funciona naturalmente como uma mistura de descoberta e aplicação clínica. “É difícil para mim imaginar como seria a nossa pesquisa se estivéssemos apenas fazendo descobertas básicas ou apenas fazendo o trabalho da BCI sozinhos”, diz ele. “Parece que ambos são realmente essenciais para o avanço do campo.”
Referências
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