Avanço no controle mental: interface pioneira de ultrassom cérebro-máquina da Caltech

por Manoel Costa
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Ultrasound Brain-Machine Interface

Avanço no controle mental: a revolucionária interface cérebro-máquina da Caltech utilizando ultrassom

Os últimos avanços em Interfaces Cérebro-Máquina (IMC) introduziram o ultrassom funcional (fUS), uma técnica não invasiva para monitorar a atividade cerebral. Esta inovação revolucionária apresenta resultados promissores ao permitir o controle preciso de dispositivos eletrônicos com atraso mínimo, eliminando a necessidade de recalibração frequente.

O ultrassom funcional (fUS) representa um avanço significativo na tecnologia de interface cérebro-máquina, fornecendo uma abordagem menos invasiva para interpretar a atividade cerebral com a finalidade de controlar dispositivos eletrônicos.

Os IMCs são dispositivos projetados para ler a atividade cerebral e traduzi-la em comandos para dispositivos eletrônicos, como membros protéticos ou cursores de computador. Eles têm o potencial de capacitar indivíduos com paralisia a manipular dispositivos protéticos usando seus pensamentos.

Os IMCs tradicionais muitas vezes necessitam de procedimentos cirúrgicos invasivos para implantar eletrodos diretamente no cérebro para capturar a atividade neural. No entanto, em 2021, pesquisadores da Caltech introduziram um novo método para monitorar a atividade cerebral utilizando ultrassom funcional (fUS), uma técnica muito menos invasiva.

Ultrassom funcional: transformando IMCs

Um estudo recente serve como prova de conceito de que a tecnologia fUS poderia sustentar um IMC “online”. Esse IMC não apenas leria a atividade cerebral, mas também decodificaria seu significado por meio de algoritmos de aprendizado de máquina, controlando posteriormente um computador com atraso mínimo e, ao mesmo tempo, prevendo movimentos com precisão.

A tecnologia de ultrassom é empregada para criar imagens cerebrais bidimensionais, que podem então ser empilhadas para gerar uma representação tridimensional. Esta abordagem, que é transparente para o crânio, não envolve implantação no próprio cérebro, reduzindo o risco de infecção e preservando a integridade do tecido cerebral e da sua cobertura protetora, a dura-máter.

Compreendendo a imagem por ultrassom

A imagem por ultrassom funciona emitindo pulsos sonoros de alta frequência e medindo como essas vibrações se propagam através de várias substâncias, como tecidos do corpo humano. As ondas sonoras viajam em velocidades distintas dentro desses tecidos e refletem em seus limites. Esta técnica é comumente usada para diagnóstico por imagem, incluindo imagens fetais durante a gravidez.

Como as ondas sonoras não conseguem penetrar no crânio, uma “janela” transparente deve ser instalada no crânio para facilitar a imagem cerebral com ultrassom. A chave para o ultrassom funcional está no monitoramento das alterações no fluxo sanguíneo em regiões específicas do cérebro. À medida que a atividade neural flutua, também aumenta a utilização de recursos metabólicos como o oxigênio, que são reabastecidos pela corrente sanguínea. Este estudo utilizou ultrassom para medir alterações no fluxo sanguíneo, permitindo o monitoramento simultâneo da atividade de pequenas populações neurais, algumas compostas por apenas 60 neurônios, espalhadas por todo o cérebro.

Desbloqueando a mobilidade: capacitando indivíduos paralisados por meio de computadores controlados pelo pensamento e membros robóticos

Aplicação inovadora em primatas não humanos

Os pesquisadores aplicaram ultrassom funcional para monitorar a atividade cerebral no córtex parietal posterior (PPC) de primatas não humanos. Esta região rege o planejamento e a execução dos movimentos e foi extensivamente estudada pelo laboratório Andersen utilizando diversas técnicas.

Os animais foram treinados para realizar duas tarefas que exigiam planejar movimentos com as mãos para controlar um cursor em uma tela ou com os olhos para focar em uma parte específica da tela. Notavelmente, eles só precisaram pensar em realizar a tarefa, pois o IMC interpretou a atividade de planejamento em seu PPC.

Resultados promissores e perspectivas futuras

Os dados de ultrassom em tempo real foram transmitidos para um decodificador treinado para interpretar esses dados usando aprendizado de máquina. Posteriormente, o decodificador gerou sinais de controle para mover um cursor para o local pretendido conforme concebido pelo animal. Este IMC obteve controle bem-sucedido sobre oito alvos radiais, com erros médios inferiores a 40 graus.

Notavelmente, esta técnica elimina a necessidade de recalibração diária, diferenciando-a de outros IMCs. Por outro lado, imagine um cenário em que seja necessário recalibrar o mouse do computador por até 15 minutos todos os dias antes de usá-lo.

Próximas etapas: estudos humanos e imagens aprimoradas

Os esforços futuros da equipe de pesquisa envolvem a investigação do desempenho dos IMCs baseados na tecnologia de ultrassom em humanos e o refinamento da tecnologia fUS para permitir imagens tridimensionais para maior precisão.

Este estudo, intitulado “Decodificando planos motores usando uma interface ultrassônica cérebro-máquina de circuito fechado”, foi publicado na revista Nature Neuroscience em 30 de novembro de 2023.

Referência: “Decodificando planos motores usando uma interface ultrassônica cérebro-máquina de circuito fechado” por Whitney S. Griggs, Sumner L. Norman, Thomas Deffieux, Florian Segura, Bruno-Félix Osmanski, Geeling Chau, Vasileios Christopoulos, Charles Liu, Mickael Tanter , Mikhail G. Shapiro e Richard A. Andersen, 30 de novembro de 2023, Nature Neuroscience.
DOI: 10.1038/s41593-023-01500-7

Whitney Griggs (PhD '23), estudante de MD/PhD da UCLA-Caltech, e Sumner Norman, ex-bolsista de pós-doutorado agora afiliado à Forest Neurotech, são os principais autores do estudo. Ao lado de Griggs, Norman e Andersen, outros coautores do Caltech incluem o estudante de graduação Geeling Chau e Vasileios Christopoulos, associado visitante em biologia e engenharia biológica. Coautores adicionais incluem Charles Liu da USC e Mickael Tanter, Thomas Deffieux e Florian Segura do INSERM em Paris, França. O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo National Eye Institute, uma bolsa Josephine de Karman, o UCLA-Caltech MSTP, a Della Martin Foundation, o Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame, os Institutos Nacionais de Saúde, o T&C Chen Brain-Machine Interface Center e a Fundação Boswell.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre a interface cérebro-máquina de ultrassom

O que é a tecnologia de ultrassom funcional (fUS)?

O ultrassom funcional (fUS) é uma técnica não invasiva de monitoramento da atividade cerebral, permitindo o controle preciso de dispositivos eletrônicos por meio da interpretação de sinais neurais.

Como as interfaces cérebro-máquina (IMCs) tradicionais diferem dos IMCs baseados em fUS?

Os IMC tradicionais geralmente exigem cirurgias invasivas para implantar eletrodos no cérebro, enquanto os IMC baseados em fUS usam ultrassom para monitorar a atividade cerebral sem a necessidade de implantação.

Que vantagens a tecnologia fUS oferece?

O ultrassom funcional é menos invasivo que os implantes cerebrais tradicionais, não requer recalibração frequente e permite monitorar a atividade em múltiplas regiões do cérebro simultaneamente.

Como funciona a ultrassonografia neste contexto?

O ultrassom emite pulsos sonoros de alta frequência, medindo como eles se propagam pelos tecidos. Alterações no fluxo sanguíneo, ligadas à atividade neural, são detectadas pelo efeito Doppler, permitindo um monitoramento preciso.

Quais são as aplicações potenciais desta tecnologia?

Esta tecnologia poderia capacitar indivíduos paralisados a controlar dispositivos protéticos ou computadores com os seus pensamentos, oferecendo nova mobilidade e independência.

Existem planos para testar esta tecnologia em humanos?

Sim, a equipa de investigação planeia estudar o desempenho dos IMC baseados em fUS em humanos, potencialmente levando esta inovação a um público mais vasto.

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