Homem paralisado tem sentido do tato restaurado pela interface cérebro-máquina

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Dez anos atrás, enquanto estava de férias na Carolina do Norte, Ian Burkhart quebrou o pescoço em um acidente de mergulho. O diagnóstico mudou tanto a vida quanto a lesão: lesão completa da medula espinhal na coluna cervical.

Uma lesão dessa natureza geralmente resulta em paraplegia. Burkhart pode recuperar algum movimento e sensação nos ombros e no braço, disseram os médicos. Mas as chances de mover as mãos novamente eram mínimas.

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Burkhart ganhou as manchetes em 2016, quando a Nature o declarou a primeira pessoa paralisada a ser “reanimada”. Pesquisadores do Battelle Memorial Institute e do Wexner Medical Center da Ohio State University puderam usar uma interface cérebro-máquina (IMC) para restaurar parcialmente a capacidade de Burkhart de mover a própria mão.

Um implante de IMC no córtex motor de Burkhart verifica as intenções motoras associadas aos movimentos das mãos. Ele retransmite essa informação para um computador, que envia um sinal para uma manga de estimulação elétrica em seu braço, que evoca contrações musculares operando a mão.

A configuração evita efetivamente a medula espinhal cortada de Burkhart, restaurando a conexão entre seu cérebro e os músculos de seu antebraço que controlam sua mão.

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Em um artigo recente publicado na Cell, a equipe do Battelle e Wexner anunciou que agora restaurou parcialmente o sentido do tato de Burkhart. A descoberta dependeu de uma visão teórica crucial e de um pouco de solução criativa de problemas.

Restaurar a capacidade de Burkhart de controlar sua própria mão foi um marco na história da neurociência. Mas foi apenas um passo para restaurar qualquer funcionalidade completa.

A amplitude de movimento de Burkhart permanece limitada e imprecisa. Parte do desafio era que embora a iteração original restaurasse parcialmente a capacidade motora de Burkhart (o sinal cérebro-corpo), ela não restaurou seu sistema somatossensorial (o sinal corpo-cérebro).

Burkhart estava aprendendo a alcançar e agarrar, mas não conseguia tocar ou sentir. E sem o feedback sensorial da mão para o cérebro, a habilidade motora é extremamente difícil de controlar. Contamos com feedback somatossensorial para regular e ajustar a atividade motora.

Quando você agarra 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 aperto mais firme para segurar um haltere.

Sem esse feedback sensorial, é muito difícil otimizar a intensidade da pegada, resultando em ovos esmagados e halteres caídos. Mesmo com a habilidade motora parcialmente restaurada em sua mão, Burkhart lutou para controlar a intensidade do aperto.

E a ausência de feedback sensorial o deixou se sentindo alienado de suas próprias mãos, 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 aos enormes avanços na tecnologia do IMC. Dispositivos de IMC funcionam escaneando a atividade cerebral por meio de dispositivos instalados dentro do cérebro, na superfície do cérebro ou na parte externa do crânio.

Os algoritmos de computador então interpretam as informações do cérebro e as traduzem em uma saída decifrável. A aplicação clínica primária de um BMI é substituir ou restaurar a funcionalidade para pacientes que sofrem de uma variedade de doenças neuromusculares.

O IMC permite que os pacientes imobilizados movam um cursor na área de trabalho de um computador apenas pensando sobre onde eles querem que o cursor vá. Outros foram capazes de mover membros robóticos. E o IMC pensamento para texto traduz pensamentos diretamente em texto digital.

Homem paralisado tem sentido do tato restaurado pela interface cérebro-máquina
Foto: (reprodução/ internet)

Os cientistas estão cada vez mais reconhecendo que muitas lesões clinicamente “completas” da medula espinhal acabam não sendo tão completas como se pensava. Em muitos casos, permanece uma conexão residual entre o corpo e o cérebro.

Isso significa que, embora Burkhart não esteja consciente de qualquer feedback somatossensorial vindo de suas extremidades, seu cérebro ainda pode estar recebendo algumas informações. “Só porque  Burkhart não pode sentir isso, não significa que não haja qualquer sinal”, diz Sam Colachis, um dos pesquisadores da equipe Wexner-Battelle que trabalha com Burkhart.

Muitas lesões clinicamente “completas” da medula espinhal acabam não sendo tão completas como se pensava

Existe essa noção de lesão completa. Mas é improvável que a medula espinhal seja completamente cortada. Você ainda obtém essas fibras residuais ”, diz Colachis.

Ficamos surpresos quando percebemos que havia alguma atividade que podíamos registrar. Essa foi uma descoberta interessante, e pensamos: ‘Isso faz sentido. É subperceptual e talvez haja um pouco de atividade aí. Como traduzimos isso para algo que poderia realmente ajudar [Burkhart]? ‘

Os pesquisadores foram capazes de treinar um algoritmo para discernir o sinal de feedback sensorial no cérebro de Burkhart em meio ao ruído de tudo o que está acontecendo no córtex motor.

Por causa da lesão na medula espinhal, o sinal era fraco e Burkhart não tinha consciência disso. “Criamos o esquema de pegar os dados que registramos quando ele toca em algo e colocá-los de volta em um motor háptico e colocá-los em uma região do bíceps onde ele possa sentir”, diz Colachis.

Um motor háptico é um dispositivo vibratório simples, como o seu telefone usa na configuração de vibração. O dispositivo vibra no braço de Burkhart quando sua mão toca algo. “Estamos pegando informações subperceptuais e aumentando-as para algo que é perceptivo, que ele pode sentir.”

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Este feedback perceptivo somatossensorial permite a Burkhart modular sua pegada com muito mais precisão para diferentes demandas de tarefas, mesmo quando vendado. Este é o primeiro IMC a restaurar o movimento e o toque simultaneamente.

Os passos que Burkhart deu com a ajuda de um IMC e dos pesquisadores de Wexner e Battelle na última década são notáveis. Mas ainda há um longo caminho a percorrer antes de termos tecnologias de IMC funcionais que pessoas como Burkhart possam usar para fins diários.

No momento, a configuração do IMC requer um computador desktop para executar seu algoritmo, então Burkhart só pode usá-lo no laboratório. Além disso, é necessária uma sessão de recalibração toda vez que Burkhart se conecta ao sistema novamente.

De uma perspectiva aplicada, a próxima etapa é os pesquisadores reduzirem o tempo de calibração e desenvolverem tecnologias mais portáteis que os usuários possam levar para casa.

Os anos 2010 foram uma década surpreendente para o IMC. O que a década de 2020 reserva? E quando começaremos a ver tecnologias de IMC destinadas não apenas a restaurar a função perdida para pacientes com doenças neuromusculares, mas que melhoram a função e a cognição da população em geral?

Colachis, por exemplo, não tem pressa para implantar seu próprio IMC. “Não acho que as pessoas vão querer colocar as coisas em seus cérebros por pelo menos um tempo”, diz ele.

Se eles conseguirem uma abordagem não invasiva, então sim, totalmente, mas acho que estamos muito longe. A tecnologia EEG não está nem perto de onde precisa estar para ter algo que pessoas como você e eu vamos querer usar no nosso dia-a-dia. Mas há muita tração que pode acelerar isso na próxima década.

Traduzido e editado por equipe Isto é Interessante 

Fonte: Massive Science

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