Neuroprosthetics: Recuperando-se da lesão usando o poder da sua mente

Neuroprosthetics, também conhecido como interfaces cérebro-computador, são dispositivos que ajudam as pessoas com deficiências motoras ou sensoriais para recuperar o controle de seus sentidos e movimentos, criando uma conexão entre o cérebro e um computador. Em outras palavras, essa tecnologia permite que as pessoas se movam, ouçam, vejam e toquem usando apenas o poder do pensamento. Como funcionam os neuroprostéticos? Vamos dar uma olhada em cinco grandes avanços neste campo para ver até onde chegamos – e quanto mais podemos ir – usando apenas o poder de nossas mentes.

Todos os anos, centenas de milhares de pessoas em todo o mundo perdem o controle de seus membros como resultado de uma lesão na medula espinhal. Nos Estados Unidos, até 347 mil pessoas estão vivendo com lesão medular (LM), e quase metade dessas pessoas não consegue se mover do pescoço para baixo.

Para essas pessoas, os dispositivos neuroprostéticos podem oferecer uma esperança muito necessária.

Interfaces cérebro-computador (BCI) geralmente envolvem eletrodos – colocados no crânio humano, na superfície do cérebro ou no tecido do cérebro – que monitoram e medem a atividade cerebral que ocorre quando o cérebro “pensa” um pensamento. O padrão dessa atividade cerebral é então “traduzido” em um código, ou algoritmo, que é “alimentado” em um computador. O computador, por sua vez, transforma o código em comandos que produzem movimento.

Neuroprosthetics não são apenas úteis para pessoas que não podem mover seus braços e pernas; eles também ajudam aqueles com deficiências sensoriais. A Organização Mundial da Saúde (OMS) estima que aproximadamente 360 ​​milhões de pessoas em todo o mundo têm uma forma incapacitante de perda auditiva, enquanto outras 39 milhões de pessoas são cegas.

Para algumas dessas pessoas, os neuroprostéticos, como os implantes cocleares e os olhos biônicos, devolveram-lhes os sentidos e, em alguns casos, permitiram que eles ouvissem ou vissem pela primeira vez.

Aqui, analisamos cinco dos desenvolvimentos mais significativos da tecnologia neuroprética, analisando como eles funcionam, por que são úteis e como alguns deles se desenvolverão no futuro.

Implante auricular

Provavelmente o dispositivo neuroprotético “mais antigo” existente, os implantes cocleares (ou implantes auditivos) existem há algumas décadas e são o epítome de neuroprostéticos bem-sucedidos.

A Food and Drug Administration dos EUA (FDA) aprovou implantes cocleares já em 1980 e, em 2012, quase 60.000 indivíduos dos EUA tinham o implante. Em todo o mundo, mais de 320 mil pessoas implantaram o dispositivo.

Um implante coclear funciona contornando as partes danificadas do ouvido e estimulando o nervo auditivo com sinais obtidos usando eletrodos. Os sinais transmitidos através do nervo auditivo para o cérebro são percebidos como sons, embora a audição através de um implante de ouvido seja bem diferente da audição normal.

Embora imperfeitos, os implantes cocleares permitem que os usuários distingam a fala pessoalmente ou por telefone, com a mídia repleta de relatos emocionais de pessoas que puderam se ouvir pela primeira vez usando esse dispositivo neuroprotético sensorial.

Aqui, você pode assistir a um vídeo de uma mulher de 29 anos que se ouve pela primeira vez usando um implante coclear:

Implante ocular

A primeira retina artificial – chamada Argus II – é feita inteiramente a partir de eletrodos implantados no olho e foi aprovada pela FDA em fevereiro de 2013. Da mesma forma que o implante coclear, essa neuroprótese se desvia da parte danificada da retina e transmite sinais, capturados por uma câmera conectada, ao cérebro.

Isso é feito transformando as imagens em pixels claros e escuros que se transformam em sinais elétricos. Os sinais elétricos são então enviados para os eletrodos, que, por sua vez, enviam o sinal para o nervo óptico do cérebro.

Enquanto o Argus II não restaura completamente a visão, ele permite que pacientes com retinite pigmentosa – uma condição que danifica os fotorreceptores do olho – distingam contornos e formas que, muitos pacientes relatam, fazem uma diferença significativa em suas vidas.

A retinite pigmentosa é uma doença neurodegenerativa que afeta cerca de 100.000 pessoas nos EUA. Desde sua aprovação, mais de 200 pacientes com retinite pigmentosa tiveram o implante Argus II, e a empresa que o projetou está trabalhando para tornar possível a detecção de cores e melhorar a resolução do dispositivo.

Neuroprosthetics for people with SCI

Estima-se que quase 350.000 pessoas nos EUA vivam com a SCI, e 45% das pessoas que tiveram um SCI desde 2010 são consideradas tetraplégicas – isto é, paralisadas do pescoço para baixo.

Em, nós relatamos recentemente em um experimento de um paciente inovador que permitiu que um homem com quadriplegia movesse seus braços usando o poder absoluto de seus pensamentos.

Bill Kochevar tinha eletrodos instalados cirurgicamente em seu cérebro. Depois de treinar o BCI para “aprender” a atividade cerebral que combinava com os movimentos que ele pensava, essa atividade foi transformada em pulsos elétricos que foram então transmitidos de volta para os eletrodos em seu cérebro.

Da mesma maneira que os implantes cocleares e visuais contornam a área danificada, a área da BCI também evita o “curto-circuito” entre o cérebro e os músculos do paciente criados pela LME.

Com a ajuda dessa neuroprótese, o paciente conseguiu beber e alimentar-se com sucesso. “Foi incrível”, diz Kochevar, “porque pensei em mover meu braço e o fez”. Kochevar foi o primeiro paciente no mundo a testar o dispositivo neuroprotético, atualmente disponível apenas para fins de pesquisa.

Você pode aprender mais sobre essa neuroprótese a partir do vídeo abaixo:

No entanto, não é onde as neuroprostéticas SCI param.O Laboratório Courtine – que é liderado pelo neurocientista Gregoire Courtine em Lausanne, na Suíça – está trabalhando incansavelmente para ajudar as pessoas feridas a recuperar o controle de suas pernas. Seus esforços de pesquisa com ratos permitiram que roedores paralisados ​​caminhassem, usando sinais elétricos e estimulando os nervos na medula espinhal.

“Acreditamos que esta tecnologia poderia melhorar significativamente a qualidade de vida das pessoas que sofrem de distúrbios neurológicos”, diz Silvestro Micera, co-autor do experimento e neuroengenheiro da Courtine Labs.

Recentemente, o Prof. Courtine também liderou uma equipe internacional de pesquisadores para criar com sucesso o movimento voluntário das pernas em macacos rhesus. Esta foi a primeira vez que uma neuroprostética foi usada para permitir a caminhada em primatas não humanos.

No entanto, “pode ​​levar vários anos até que todos os componentes dessa intervenção possam ser testados em pessoas”, diz o Prof. Courtine.

Um braço que sente

Silvestro Micera também liderou outros projetos em neuroprostética, entre os quais o braço que “sente”. Em 2014, relatou a primeira mão artificial que foi aprimorada com sensores.

Os pesquisadores mediram a tensão nos tendões da mão artificial que controla os movimentos de agarrar e transformou-a em corrente elétrica. Por sua vez, usando um algoritmo, isso foi traduzido em impulsos que foram então enviados para os nervos do braço, produzindo uma sensação de toque.

Desde então, o braço protético que “sente” foi melhorado ainda mais. Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh e do Centro Médico da Universidade de Pittsburgh, ambos na Pensilvânia, testaram o BCI em um único paciente com tetraplegia: Nathan Copeland.

Os cientistas implantaram uma bainha de microeletrodos abaixo da superfície do cérebro de Copeland – em seu córtex somatossensorial primário – e os conectaram a um braço protético equipado com sensores. Isso permitiu que o paciente sentisse sensações de tato, que pareciam para ele como se pertencessem à própria mão paralisada.

Enquanto vendado, Copeland conseguiu identificar qual dedo em sua prótese estava sendo tocado. As sensações que ele percebia variavam de intensidade e eram sentidas como diferentes de pressão.

Neuroprosthetics para neurônios?

Vimos que as próteses controladas pelo cérebro podem restaurar a sensação de toque, audição, visão e movimento dos pacientes, mas poderíamos construir próteses para o próprio cérebro?

Pesquisadores da Universidade Nacional Australiana (ANU), em Canberra, conseguiram cultivar artificialmente as células cerebrais e criar circuitos cerebrais funcionais, abrindo caminho para neuroprosthetics para o cérebro.

Aplicando a geometria do nanofio a um wafer semicondutor, o Dr. Vini Gautam, da Escola de Engenharia de Pesquisa da ANU, e seus colegas criaram um andaime que permite que as células do cérebro cresçam e se conectem sinapticamente.

O líder do grupo de projeto, Dr. Vincent Daria, da Escola de Pesquisa Médica John Curtin na Austrália, explica o sucesso de suas pesquisas:

“Fomos capazes de estabelecer conexões preditivas entre os neurônios e demonstrá-los funcionais com os neurônios disparando de forma síncrona. Esse trabalho poderia abrir um novo modelo de pesquisa que constrói uma conexão mais forte entre a nanotecnologia de materiais com a neurociência”.

Neuroprosthetics para o cérebro pode um dia ajudar pacientes que sofreram um acidente vascular cerebral ou que vivem com doenças neurodegenerativas para recuperar neurologicamente.

Todos os anos, nos EUA, quase 800.000 pessoas tiveram um derrame e mais de 130.000 pessoas morreram. As doens neurodegenerativas tamb s difundidas, com 5 milhs de adultos dos E.U.A. estimados a viver com doen de Alzheimer, 1 milh para ter Parkinson e 400000 a experimentar esclerose mtipla.

Aprenda sobre o mais novo empreendimento do Facebook: o desenvolvimento de BCIs.