Impulsos
do cérebro podem controlar dispositivos mecânicos
Da Universidade Duke
Estudos realizados pelo Centro Médico da Universidade Duke
mostram que é possível fazer com que o cérebro controle, por meio
de impulsos elétricos, dispositivos mecânicos. A equipe de pesquisa
agora está trabalhando para desenvolver protótipos que possam
permitir que pessoas paralisadas operem "neuropróteses" e
outros dispositivos externos usando apenas o sinal do cérebro.
Apesar dos novos estudos fornecerem uma prova inicial da aplicação
humana de interfaces cérebro-máquina ser possível, os pesquisadores
enfatizaram que muitos anos de desenvolvimento e testes clínicos serão
necessários antes que tais neuropróteses estejam disponíveis.
A equipe de pesquisa, liderada pelo neurocirurgião e professor de
neurobiologia Dennis Turner e pelo neurobiólogo Miguel Nicolelis,
publicará seus resultados na edição de julho de 2004 da revista
"Neurosurgery". Entre os principais membros da equipe de
pesquisa também estão Parag Patil, residente em neurocirurgia e
principal autor do estudo, e Jose Carmena, Ph.D. e estudante de pós-doutorado
em neurobiologia.
A pesquisa se baseou em estudos anteriores de laboratório de
Nicolelis, nas quais macacos aprenderam a controlar um braço robô
usando apenas os sinais do cérebro.
Em estudos preliminares em seres humanos, Patil e colegas gravaram
sinais elétricos a partir de conjuntos de 32 microeletrodos durante
cirurgias realizadas para aliviar sintomas do mal de Parkinson e
tremores. Tais procedimentos cirúrgicos geralmente envolvem o
implante de eletrodos no cérebro, com a estimulação deste com
pequenas correntes elétricas para aliviar os sintomas do paciente. Os
pacientes são despertados durante a cirurgia, e os neurocirurgiões
geralmente gravam os sinais cerebrais para assegurar que os eletrodos
permanentes sejam colocados no ponto ideal no cérebro.
Nas experiências
relatadas na "Neurosurgery", os pesquisadores adicionaram
uma simples tarefa manual ao procedimento cirúrgico. Enquanto os
sinais do cérebro eram gravados usando um novo conjunto de eletrodos
de 32 canais, foi pedido aos 11 pacientes voluntários que jogassem um
videogame controlado pela mão.
Analisando posteriormente os sinais destas experiências, a equipe
descobriu que os sinais continham informação suficiente para servir
na previsão dos movimentos da mão. Tal previsão é um requisito
necessário para o uso confiável de sinais neurais para controle de
dispositivos externos.
"Apesar das limitações das experiências, nós ficamos supresos
ao descobrir que nosso modelo analítico podia prever os movimentos
dos pacientes muito bem", disse Nicolelis. "Nós só contávamos
com cinco minutos de dados de cada paciente, dos quais foram necessários
um ou dois minutos para ensiná-los a tarefa. Isto sugere que à
medida que os testes clínicos prosseguirem e usarmos conjuntos de
eletrodos implantados para um longo período de tempo, nós poderemos
obter um sistema de controle funcional para dispositivos
externos", disse ele.
Apesar de outros pesquisadores terem demonstrado que eletrodos
implantados individualmente podem ser usados para controlar um cursor
na tela do computador, dispositivos externos complexos exigiriam dados
de grandes conjuntos de eletrodos, disseram os pesquisadores da Duke.
Segundo Nicolelis, outra grande diferença entre os estudos iniciais
com seres humanos e os estudos com macacos é que a gravação nos
pacientes humanos foi feita com eletrodos inseridos mais profundamente
no cérebro, nas estruturas subcorticais, em vez da superfície
cortical.
"Isto mostra que é possível extrair informação não apenas
das áreas corticais, mas também das subcorticais", disse
Nicolelis. "Isto sugere que no futuro haverá mais opções para
extrair informação neuronal para controle de um dispositivo protético",
disse ele.
Segundo Turner, a passagem para estudos clínicos em seres humanos
apresenta uma série de desafios. Por exemplo, disse ele, os dados com
macacos foram obtidos por eletrodos ligados à superfície do córtex
cerebral.
"Nós inicialmente usamos eletrodos subcorticais, porque são
mais estáveis e inseridos mais profundamente", disse Turner. Além
disso, ele disse, as regiões mais profundas apresentam outras
vantagens. "Pela forma como o cérebro trabalha, todos os sinais
para controle motor são filtradas nessas regiões profundas antes de
chegarem à saída final cortical", disse ele. "Assim, elas
são teoricamente mais fáceis de gravar do que as áreas corticais.
As áreas subcorticais também são mais densas, o que significa que há
mais células para gravar em uma área menor."
Trabalhando com engenheiros biomédicos da Duke, a equipe de pesquisa
está atualmente desenvolvendo o protótipo inicial de um dispositivo
neuroprotético que incluirá uma interface sem fio entre o paciente e
o dispositivo.
Segundo Turner, apesar da aplicação mais óbvia de tal tecnologia
ser um braço robô para um quadriplégico, ele e seus colegas também
estão planejando outros dispositivos. Um seria uma cadeira de rodas
elétrica controlada neuralmente, assim como um teclado operado
neuralmente, cuja saída incluiria tanto texto quanto fala. Tais
dispositivos poderiam ajudar pessoas paralisadas ou que perderam a
fala devido a derrame ou esclerose lateral amiotrófica (mal de Lou
Gehrig).
Uma questão chave em futuros estudos clínicos será se os humanos
podem incorporar tais dispositivos em seu "esquema", ou a
representação neural do mundo externo, disse Turner. Os macacos nos
estudos de Nicolelis pareceram capazes de fazê-lo.
"Nós sabemos que para todo tipo de treinamento motor, como andar
de bicicleta, as pessoas incorporam um dispositivo externo ao seu
esquema, e o processo se torna subconsciente", disse ele. "Nós
exploraremos este fenômeno em nossos estudos em seres humanos. É
conhecido, por exemplo, que os pacientes que não usam seu braço
ainda exibem em imagens por ressonância magnética os centros de
controle do cérebro funcionando normalmente. Quando lhes é pedido
que imaginem o movimento dos braços, os centros de controle se tornam
ativos. Assim, nós temos boas esperanças de que os neurônios nestes
centros ainda possam fornecer os mesmos sinais, apesar do braço não
estar fisicamente funcionando."
Como seu próximo grande passo, disse Turner, os pesquisadores já
fizeram o pedido para aprovação federal para o início do implante
de eletrodos experimentais de longo prazo em pacientes quadriplégicos.
Tais testes, que serão conduzidos ao longo dos próximos três a
cinco anos, envolverão implantar de eletrodos em regiões específicas,
pedir aos pacientes que realizem tarefas específicas e então
explorar que tarefas são melhor controladas por tal região.
Tradução: George El
Khouri Andolfato
