Esta é a primeira interface cérebro-máquina a restaurar movimentos e sensação de toque simultaneamente
Dez anos atrás, enquanto estava de férias na Carolina do Norte, Ian Burkhart quebrou o pescoço em um acidente de mergulho. O diagnóstico foi tão transformador quanto a lesão: uma lesão medular completa na coluna cervical. Uma lesão dessa natureza geralmente resulta em paraplegia. Burkhart pode recuperar algum movimento e sensação nos ombros e na parte superior do braço, disseram os médicos. Mas as chances de mover novamente as mãos eram pequenas.
Burkhart chegou às manchetes em 2016, quando a revista Nature o declarou a primeira pessoa paralisada a ser "reanimada". Pesquisadores do Battelle Memorial Institute e do Wexner Medical Center da Ohio State University foram capazes de usar uma interface cérebro-máquina (IMC) para restaurar parcialmente a capacidade de Burkhart de mover sua própria mão. Um implante de IMC no córtex motor de Burkhart examina as intenções motoras associadas aos movimentos das mãos. Ele transmite essas informações para um computador, que envia um sinal para uma manga de estimulação elétrica em seu braço, que evoca contrações musculares operando a mão. A estrutura ignora efetivamente a medula espinhal cortada de Burkhart, restaurando a conexão entre o cérebro e os músculos do antebraço que controlam a mão.
Em um artigo recente publicado na revista Cell, a equipe de Battelle e Wexner anunciou que agora restaurou parcialmente o senso de toque de Burkhart. A inovação dependeu de insights teóricos cruciais e um pouco de solução criativa de problemas.
Um implante de IMC no córtex motor de Burkhart examina as intenções motoras associadas aos movimentos das mãos.
Restaurar a capacidade de Burkhart de controlar sua própria mão foi um marco na história da neurociência. Mas foi apenas um passo para restaurar algo como funcionalidade completa. A amplitude de movimento de Burkhart permanece limitada e imprecisa. Parte do desafio foi que, embora a iteração original tenha restaurado parcialmente a capacidade motora de Burkhart (o sinal do cérebro para o corpo), ela não restaurou seu sistema somatossensorial (o sinal do corpo para o cérebro).
Burkhart estava aprendendo a alcançar e compreender, mas não conseguia tocar ou sentir. E sem o feedback sensorial corpo a corpo, a capacidade motora é notavelmente difícil de controlar. Contamos com feedback somatossensorial para regular e ajustar a atividade motora. Quando você pega um objeto, por exemplo, o cérebro monitora o feedback somatossensorial do corpo para ajustar e corrigir o sinal motor de saída: um aperto suave para segurar um ovo, um mais firme para segurar um haltere. Sem esse feedback sensorial, é muito difícil otimizar a intensidade de preensão, resultando em ovos esmagados e queda de halteres. Mesmo com a habilidade motora parcialmente restaurada na mão, Burkhart lutava para controlar a intensidade da aderência. E a ausência de feedback sensorial o deixou se sentindo alienado de sua própria mão, como se estivesse movendo o corpo de outra pessoa em vez do seu.
Muita coisa mudou na neurociência desde a lesão de Burkhart, em parte devido a tremendos avanços na tecnologia IMC. Os dispositivos de IMC funcionam digitalizando a atividade cerebral através de dispositivos instalados dentro do cérebro, na superfície do cérebro ou na parte externa do crânio. Os algoritmos de computador interpretam as informações do cérebro e as traduzem em uma saída decifrável. A aplicação clínica primária de um IMC é substituir ou restaurar a funcionalidade de pacientes que sofrem de uma variedade de distúrbios neuromusculares. O IMC permite que pacientes imobilizados movam um cursor na área de trabalho de um computador apenas pensando para onde querem que o cursor vá. Outros foram capazes de mover membros robóticos . E o IMC de pensamento em texto traduz pensamentos diretamente em texto digital .
Os cientistas estão cada vez mais reconhecendo que muitas lesões clinicamente "completas" da medula espinhal acabam não sendo tão completas quanto se pensava. Em muitos casos, permanece uma conexão residual entre corpo e cérebro. Isso significa que, embora Burkhart não esteja consciente de qualquer feedback somatossensorial vindo de suas extremidades, seu cérebro ainda pode estar recebendo alguma informação. "Só porque [Burkhart] não pode sentir que isso não significa que não há sinal", diz Sam Colachis, um dos pesquisadores da equipe Wexner-Battelle que trabalha com Burkhart.
Muitas lesões na medula espinhal clinicamente “completas” acabam não sendo tão completas como se pensava.
“Existe a noção de uma lesão completa. Mas é improvável que a medula espinhal seja completamente cortada. Você ainda recebe essas fibras residuais”, diz Colachis. “Ficamos surpresos quando percebemos que havia alguma atividade que poderíamos gravar. Essa foi uma descoberta interessante e pensamos: 'Isso faz sentido. É sub-perceptivo, e talvez haja um pouco de atividade lá. Como podemos traduzir isso para algo que realmente pode ajudar [Burkhart]? '”
Os pesquisadores foram capazes de treinar um algoritmo para discernir o sinal de feedback sensorial no cérebro de Burkhart em meio ao barulho de tudo o mais acontecendo no córtex motor. Por causa da lesão na medula espinhal, esse sinal era fraco, e Burkhart não tinha consciência disso. "Nós criamos o esquema de pegar os dados que gravamos quando ele toca em algo e alimentá-lo de volta a um motor háptico e colocá-lo em uma região no bíceps onde ele pode sentir", diz Colachis. Um motor háptico é um dispositivo vibratório simples, como o telefone usa na configuração de vibração. O dispositivo vibra no braço de Burkhart quando sua mão toca em algo. "Estamos pegando informações subperceptivas e ampliando-as para algo que é perceptivo, que ele pode sentir."
Esse feedback somatossensorial perceptivo permite que Burkhart module sua aderência com muito mais precisão para diferentes demandas de tarefas, mesmo com os olhos vendados. Este é o primeiro IMC a restaurar o movimento e o toque simultaneamente.
Os passos que Burkhart tomou com a ajuda de um IMC e os pesquisadores de Wexner e Battelle na década passada são notáveis. Mas ainda há um longo caminho a percorrer antes de termos tecnologias funcionais de IMC que pessoas como Burkhart podem usar para fins cotidianos. No momento, a configuração do IMC exige que um computador de mesa execute seu algoritmo; portanto, Burkhart só pode usá-lo no laboratório. Além disso, exige uma sessão de recalibração sempre que Burkhart se conectar ao sistema novamente. De uma perspectiva aplicada, o próximo passo é que os pesquisadores reduzam o tempo de calibração e desenvolvam mais tecnologias portáteis que os usuários podem levar para casa.
Por Hayden Kee, Fordham University
29 de julho de 2020 Traduzido do texto original