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Os dispositivos de leitura cerebral que ajudam as pessoas paralisadas a se mover, falar e tocar

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James Johnson espera voltar a dirigir um carro um dia. Se o fizer, ele o fará usando apenas seus pensamentos.

Em março de 2017, Johnson quebrou o pescoço em um acidente de kart, deixando-o quase completamente paralisado abaixo dos ombros. Ele entendia sua nova realidade melhor do que a maioria. Por décadas, ele cuidou de pessoas com paralisia. “Houve uma depressão profunda”, diz ele. “Eu pensei que quando isso aconteceu comigo não havia nada – nada que eu pudesse fazer ou dar.”

Mas então a equipe de reabilitação de Johnson o apresentou a pesquisadores do California Institute of Technology (Caltech) em Pasadena, que o convidou para participar de um ensaio clínico de uma interface cérebro-computador (BCI). Isso envolveria primeiro uma neurocirurgia para implantar duas grades de eletrodos em seu córtex. Esses eletrodos registrariam neurônios em seu cérebro enquanto disparavam, e os pesquisadores usariam algoritmos para decodificar seus pensamentos e intenções. O sistema então usaria a atividade cerebral de Johnson para operar aplicativos de computador ou para mover um dispositivo protético. Ao todo, levaria anos e exigiria centenas de sessões de treinamento intensivo. “Eu realmente não hesitei”, diz Johnson.

Na primeira vez em que usou seu BCI, implantado em novembro de 2018, Johnson moveu o cursor pela tela do computador. “Parecia Matrix”, diz ele. “Nós nos conectamos ao computador e eis que consegui mover o cursor apenas pensando.”

Desde então, Johnson usou o BCI para controlar um braço robótico, usar o software Photoshop, jogar videogames 'shoot-'em-up' e agora para dirigir um carro simulado em um ambiente virtual, alterando a velocidade, dirigindo e reagindo a perigos. “Sempre fico surpreso com o que somos capazes de fazer”, diz ele, “e é incrível”.

Johnson é uma das 35 pessoas estimadas que tiveram um BCI implantado a longo prazo em seu cérebro. Apenas cerca de uma dúzia de laboratórios realizam essa pesquisa, mas esse número está crescendo. E nos últimos cinco anos, a gama de habilidades que esses dispositivos podem restaurar aumentou enormemente. Só no ano passado, os cientistas descreveram um participante do estudo usando um braço robótico que poderia enviar feedback sensorial diretamente para seu cérebro1; um dispositivo de fala protético para alguém incapaz de falar por um derrame2; e uma pessoa capaz de se comunicar em velocidades recordes imaginando-se escrevendo à mão3.

Até agora, a grande maioria dos implantes para registro de longo prazo de neurônios individuais foi feita por uma única empresa: Blackrock Neurotech, desenvolvedora de dispositivos médicos com sede em Salt Lake City, Utah. Mas nos últimos sete anos, o interesse comercial em BCIs aumentou. Mais notavelmente, em 2016, o empresário Elon Musk lançou o Neuralink em San Francisco, Califórnia, com o objetivo de conectar humanos e computadores. A empresa levantou US$ 363 milhões. No ano passado, a Blackrock Neurotech e várias outras empresas BCI mais recentes também atraíram grande apoio financeiro.

Trazer um BCI para o mercado implicará, no entanto, transformar uma tecnologia sob medida, testada em apenas um pequeno número de pessoas, em um produto que pode ser fabricado, implantado e usado em escala. Grandes testes precisarão mostrar que os BCIs podem funcionar em ambientes que não sejam de pesquisa e melhorar comprovadamente a vida cotidiana dos usuários - a preços que o mercado pode suportar. O cronograma para alcançar tudo isso é incerto, mas o campo está otimista. “Por milhares de anos, procuramos uma maneira de curar pessoas que sofrem de paralisia”, diz Matt Angle, presidente-executivo fundador da Paradromics, uma empresa de neurotecnologia em Austin, Texas. “Agora, na verdade, estamos prestes a ter tecnologias que podemos aproveitar para essas coisas.”

Evolução da interface

Em junho de 2004, pesquisadores pressionaram uma grade de eletrodos no córtex motor de um homem que havia ficado paralisado por uma facada. Ele foi a primeira pessoa a receber um implante BCI de longo prazo. Como a maioria das pessoas que receberam BCIs desde então, sua cognição estava intacta. Ele podia se imaginar se movendo, mas havia perdido os caminhos neurais entre seu córtex motor e seus músculos. Após décadas de trabalho em muitos laboratórios com macacos, os pesquisadores aprenderam a decodificar os movimentos dos animais a partir de registros em tempo real da atividade no córtex motor. Eles agora esperavam inferir os movimentos imaginados de uma pessoa a partir da atividade cerebral na mesma região.

Em 2006, um artigo histórico4 descrevia como o homem havia aprendido a mover um cursor na tela do computador, controlar uma televisão e usar braços e mãos robóticos apenas pensando. O estudo foi co-liderado por Leigh Hochberg, neurocientista e neurologista de cuidados intensivos da Brown University em Providence, Rhode Island, e do Massachusetts General Hospital, em Boston. Foi o primeiro de um conjunto multicêntrico de testes chamado BrainGate, que continua até hoje.

“Foi uma demonstração muito simples e rudimentar”, diz Hochberg. “Os movimentos eram lentos ou imprecisos – ou ambos. Mas demonstrou que pode ser possível gravar do córtex de alguém incapaz de se mover e permitir que essa pessoa controle um dispositivo externo”.

Os usuários BCI de hoje têm um controle muito mais preciso e acesso a uma gama mais ampla de habilidades. Em parte, isso ocorre porque os pesquisadores começaram a implantar vários BCIs em diferentes áreas do cérebro do usuário e criaram novas maneiras de identificar sinais úteis. Mas Hochberg diz que o maior impulso veio do aprendizado de máquina, que melhorou a capacidade de decodificar a atividade neural. Em vez de tentar entender o que significam os padrões de atividade, o aprendizado de máquina simplesmente identifica e vincula os padrões à intenção do usuário.

“Temos informações neurais; sabemos o que aquela pessoa que está gerando os dados neurais está tentando fazer; e estamos pedindo aos algoritmos para criar um mapa entre os dois”, diz Hochberg. “Essa acaba sendo uma técnica notavelmente poderosa.”

Independência motora

Perguntados sobre o que querem da neurotecnologia assistiva, as pessoas com paralisia respondem com mais frequência “independência”. Para pessoas que não conseguem mover seus membros, isso normalmente significa restaurar o movimento.

Uma abordagem é implantar eletrodos que estimulam diretamente os músculos dos próprios membros de uma pessoa e fazer com que o BCI os controle diretamente. “Se você pode capturar os sinais corticais nativos relacionados ao controle dos movimentos das mãos, pode essencialmente contornar a lesão da medula espinhal para ir diretamente do cérebro para a periferia”, diz Bolu Ajiboye, neurocientista da Case Western Reserve University em Cleveland, Ohio.

Em 2017, Ajiboye e seus colegas descreveram um participante que usou esse sistema para realizar movimentos complexos do braço, incluindo beber uma xícara de café e se alimentar5. “Quando ele começou o estudo”, diz Ajiboye, “ele teve que pensar muito sobre o movimento do braço do ponto A ao ponto B. Mas, à medida que ganhava mais treinamento, ele podia apenas pensar em mover o braço e ele se movia. ” O participante também recuperou a sensação de posse do braço.

Os dispositivos de leitura da mente que podem liberar músculos paralisados

Ajiboye agora está expandindo o repertório de sinais de comando que seu sistema pode decodificar, como aqueles para força de preensão. Ele também quer dar aos usuários do BCI uma sensação de toque, uma meta que está sendo perseguida por vários laboratórios.

Em 2015, uma equipe liderada pelo neurocientista Robert Gaunt, da Universidade de Pittsburgh, na Pensilvânia, relatou a implantação de um conjunto de eletrodos na região da mão do córtex somatossensorial de uma pessoa, onde as informações de toque são processadas6. Ao usar os eletrodos para estimular os neurônios, a pessoa sentia algo semelhante a ser tocada.

Gaunt juntou forças com a colega de Pittsburgh, Jennifer Collinger, uma neurocientista que avançava no controle de braços robóticos por BCIs. Juntos, eles criaram um braço robótico com sensores de pressão embutidos nas pontas dos dedos, que alimentaram eletrodos implantados no córtex somatossensorial para evocar uma sensação sintética de toque1. Não era uma sensação totalmente natural - às vezes parecia pressão ou sendo cutucada, outras vezes era mais como um zumbido, explica Gaunt. No entanto, o feedback tátil fez com que a prótese parecesse muito mais natural de usar, e o tempo necessário para pegar um objeto caiu pela metade, de aproximadamente 20 segundos para 10.

Implantar matrizes em regiões do cérebro que têm funções diferentes pode adicionar nuances ao movimento de outras maneiras. O neurocientista Richard Andersen — que está liderando o estudo no Caltech do qual Johnson está participando — está tentando decodificar os objetivos mais abstratos dos usuários tocando no córtex parietal posterior (PPC), que forma a intenção ou plano de movimento7 . Ou seja, pode codificar o pensamento “quero uma bebida”, enquanto o córtex motor direciona a mão para o café e depois leva o café à boca.

O grupo de Andersen está explorando como essa entrada dupla ajuda no desempenho do BCI, contrastando o uso das duas regiões corticais sozinhas ou juntas. Resultados inéditos mostram que as intenções de Johnson podem ser decodificadas mais rapidamente no PPC, “consistente com a codificação do objetivo do movimento”, diz Tyson Aflalo, pesquisador sênior do laboratório de Andersen. A atividade do córtex motor, por outro lado, dura todo o movimento, diz ele, “tornando a trajetória menos instável”.

Esse novo tipo de entrada neural está ajudando Johnson e outros a expandir o que podem fazer. Johnson usa o simulador de direção e outro participante pode tocar um piano virtual usando seu BCI.

Movimento para o significado

“Um dos resultados mais devastadores relacionados a lesões cerebrais é a perda da capacidade de comunicação”, diz Edward Chang, neurocirurgião e neurocientista do Universidade da Califórnia, São Francisco. No trabalho inicial do BCI, os participantes podiam mover um cursor pela tela do computador imaginando o movimento de suas mãos e, em seguida, imaginando agarrar para 'clicar' nas letras - oferecendo uma maneira de alcançar a comunicação. Mas, mais recentemente, Chang e outros fizeram um rápido progresso ao focar em movimentos que as pessoas usam naturalmente para se expressar.

Os dispositivos de leitura cerebral que ajudam pessoas paralisadas mover, falar e tocar

A referência para comunicação por controle de cursor — aproximadamente 40 caracteres por minuto8 — foi definida em 2017 por uma equipe liderada por Krishna Shenoy, neurocientista da Universidade de Stanford, na Califórnia.

Então, no ano passado, este grupo relatou3 uma abordagem que permitiu ao participante do estudo Dennis Degray, que pode falar, mas está paralisado do pescoço para baixo, dobrar o ritmo.

O colega de Shenoy, Frank Willett, sugeriu a Degray que ele imaginasse a caligrafia enquanto eles registravam a partir de seu córtex motor (consulte 'Transformando pensamentos em tipos'). O sistema às vezes se esforçava para analisar sinais relacionados a letras escritas à mão de maneira semelhante, como r, n e h, mas geralmente conseguia distinguir as letras com facilidade. Os algoritmos de decodificação foram 95% precisos na linha de base, mas quando corrigidos automaticamente usando modelos estatísticos de linguagem semelhantes ao texto preditivo em smartphones, isso saltou para 99%.

"Você pode decodificar movimentos muito rápidos e precisos", diz Shenoy, "e você pode fazer isso a 90 caracteres por minuto".

Degray tem um BCI funcional em seu cérebro há quase 6 anos e é um veterano de 18 estudos do grupo de Shenoy. Ele diz que é notável como as tarefas se tornam fáceis. Ele compara o processo a aprender a nadar, dizendo: “Você se debate muito no começo, mas de repente tudo se torna compreensível”.

Interface neural traduz pensamentos em tipo

A abordagem de Chang para restaurar a comunicação se concentra em falar em vez de escrever, embora usando um princípio semelhante. Assim como a escrita é formada por letras distintas, a fala é formada por unidades discretas chamadas fonemas, ou sons individuais. Existem cerca de 50 fonemas em inglês, e cada um é criado por um movimento estereotipado do trato vocal, língua e lábios.

O grupo de Chang primeiro trabalhou na caracterização da parte do cérebro que gera os fonemas e, portanto, a fala - uma região mal definida chamada córtex laríngeo dorsal. Em seguida, os pesquisadores aplicaram esses insights para criar um sistema de decodificação de fala que exibia a fala pretendida do usuário como texto em uma tela. No ano passado, eles relataram2 que este dispositivo permitia que uma pessoa incapaz de falar por um derrame cerebral se comunicasse, usando um vocabulário pré-selecionado de 50 palavras e a uma taxa de 15 palavras por minuto. “A coisa mais importante que aprendemos”, diz Chang, “é que não é mais teórico; é realmente possível decodificar palavras inteiras.”

Ao contrário de outras descobertas de BCI de alto nível, Chang não registrou neurônios individuais. Em vez disso, ele usou eletrodos colocados na superfície cortical que detectam a atividade média das populações neuronais. Os sinais não são tão refinados quanto os dos eletrodos implantados no córtex, mas a abordagem é menos invasiva.

A perda mais profunda de comunicação ocorre em pessoas em um estado completamente fechado, que permanecem conscientes, mas são incapazes de falar ou se mover. Em março, uma equipe que incluía o neurocientista Ujwal Chaudhary e outros da Universidade de Tübingen, na Alemanha, relatou9 o reinício da comunicação com um homem com esclerose lateral amiotrófica (ALS, ou doença do neurônio motor). O homem já havia confiado nos movimentos dos olhos para se comunicar, mas gradualmente perdeu a capacidade de mover os olhos.

A equipe de pesquisadores obteve o consentimento da família do homem para implantar um BCI e tentou pedir que ele imaginasse movimentos para usar sua atividade cerebral para escolher letras em uma tela. Quando isso falhou, eles tentaram reproduzir um som que imitava a atividade cerebral do homem - um tom mais alto para mais atividade, mais baixo para menos - e o ensinaram a modular sua atividade neural para aumentar o tom de um tom para sinalizar 'sim' e diminuir para 'não'. Esse arranjo permitiu que ele escolhesse uma carta a cada minuto ou mais.

O método difere daquele de um artigo10 publicado em 2017, no qual Chaudhary e outros usaram uma técnica não invasiva para ler a atividade cerebral. Questões foram levantadas sobre o trabalho e o jornal foi retratado, mas Chaudhary o mantém.

Esses estudos de caso sugerem que o campo está amadurecendo rapidamente, diz Amy Orsborn, que pesquisa BCIs em primatas não humanos na Universidade de Washington em Seattle. “Houve um aumento perceptível tanto no número de estudos clínicos quanto nos saltos que eles estão dando no espaço clínico”, diz ela. “O que vem junto com isso é o interesse industrial”.

Do laboratório para o mercado

Embora tais conquistas tenham atraído muita atenção da mídia e dos investidores, o campo ainda está longe de melhorar a vida cotidiana dos pessoas que perderam a capacidade de se mover ou falar. Atualmente, os participantes do estudo operam BCIs em sessões breves e intensivas; quase todos devem estar fisicamente conectados a um banco de computadores e supervisionados por uma equipe de cientistas trabalhando constantemente para aprimorar e recalibrar os decodificadores e o software associado. “O que eu quero”, diz Hochberg, falando como um neurologista de cuidados intensivos, “é um dispositivo que esteja disponível, que possa ser prescrito, que esteja ‘pronto’ e possa ser usado rapidamente”. Além disso, esses dispositivos idealmente durariam a vida inteira dos usuários.

Como uma técnica revolucionária colocou pessoas com lesões na medula espinhal de pé

Muitos acadêmicos importantes agora estão colaborando com empresas para desenvolver dispositivos comercializáveis. Chaudhary, por outro lado, co-fundou uma empresa sem fins lucrativos, a ALS Voice, em Tübingen, para desenvolver neurotecnologias para pessoas em um estado completamente fechado.

Os dispositivos existentes da Blackrock Neurotech têm sido um dos pilares da pesquisa clínica por 18 anos e ela deseja comercializar um sistema BCI dentro de um ano, de acordo com o presidente Florian Solzbacher. A empresa deu um passo mais perto em novembro passado, quando a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, que regula dispositivos médicos, colocou os produtos da empresa em um processo de revisão rápida para facilitar seu desenvolvimento comercial.

Este possível primeiro produto usaria quatro matrizes implantadas e se conectaria por meio de fios a um dispositivo miniaturizado, que Solzbacher espera mostrar como a vida das pessoas pode ser melhorada. “Não estamos falando de uma melhoria de 5, 10 ou 30% na eficácia”, diz ele. “As pessoas podem fazer algo que simplesmente não podiam antes.”

A Blackrock Neurotech também está desenvolvendo um BCI sem fio totalmente implantável, destinado a ser mais fácil de usar e eliminar a necessidade de ter uma porta no crânio do usuário. A Neuralink e a Paradromics pretendem ter esses recursos desde o início nos dispositivos que estão desenvolvendo.

Essas duas empresas também pretendem aumentar a largura de banda do sinal, o que deve melhorar o desempenho do dispositivo, aumentando o número de neurônios registrados. A interface do Paradromics — atualmente em teste em ovelhas — possui 1.600 canais, divididos em 4 módulos.

O sistema da Neuralink usa eletrodos muito finos e flexíveis, chamados fios, que são projetados para dobrar com o cérebro e reduzir as reações imunológicas, diz Shenoy, que é consultor e consultor da empresa. O objetivo é tornar o aparelho mais durável e as gravações mais estáveis. A Neuralink não publicou nenhum artigo revisado por pares, mas uma postagem de blog de 2021 relatou a implantação bem-sucedida de threads no cérebro de um macaco para registrar em 1.024 sites (consulte go.nature.com/3jt71yq). Os acadêmicos gostariam de ver a tecnologia publicada para exame minucioso, e a Neuralink até agora testou seu sistema apenas em animais. Mas, diz Ajiboye, “se o que eles afirmam for verdade, isso mudará o jogo”.

Apenas uma outra empresa além da Blackrock Neurotech implantou um BCI de longo prazo em humanos - e pode ser uma venda mais fácil do que outras matrizes. Synchron na cidade de Nova York desenvolveu um 'stentrode' - um conjunto de 16 eletrodos formados em torno de um stent de vaso sanguíneo11. Instalado em um dia em ambiente ambulatorial, este dispositivo é inserido através da veia jugular até uma veia no topo do córtex motor. Implantada pela primeira vez em uma pessoa com ELA em agosto de 2019, a tecnologia foi colocada em um caminho de revisão acelerada pelo FDA um ano depois.

Assim como os eletrodos que Chang usa, o stentrode não tem a resolução de outros implantes, então não pode ser usado para controlar próteses complexas. Mas permite que pessoas que não podem se mover ou falar controlem um cursor em um tablet de computador e, assim, enviar mensagens de texto, navegar na Internet e controlar tecnologias conectadas.

O cofundador da Synchron, o neurologista Thomas Oxley, diz que a empresa agora está submetendo os resultados de um estudo de viabilidade de quatro pessoas para publicação, no qual os participantes usaram o dispositivo sem fio em casa sempre que quisessem. “Não há nada saindo do corpo. E está sempre funcionando”, diz Oxley. O próximo passo antes de solicitar a aprovação do FDA, diz ele, é um teste em larga escala para avaliar se o dispositivo melhora significativamente a funcionalidade e a qualidade de vida.

Desafios futuros

A maioria dos pesquisadores que trabalham com BCIs são realistas sobre os desafios diante deles. “Se você der um passo para trás, verá que é realmente mais complicado do que qualquer outro dispositivo neurológico já construído”, diz Shenoy. “Provavelmente haverá alguns anos de crescimento difícil para amadurecer ainda mais a tecnologia.”

A ética das interfaces cérebro-computador

Orsborn enfatiza que os dispositivos comerciais terão que funcionar sem a supervisão de um especialista por meses ou anos — e que precisam funcionar igualmente bem para todos os usuários. Ela antecipa que os avanços no aprendizado de máquina resolverão o primeiro problema, fornecendo etapas de recalibração para os usuários implementarem. Mas alcançar um desempenho consistente entre os usuários pode representar um desafio maior.

“A variabilidade de pessoa para pessoa é aquela em que acho que não sabemos qual é o escopo do problema”, diz Orsborn. Em primatas não humanos, mesmo pequenas variações no posicionamento do eletrodo podem afetar quais circuitos são ativados. Ela suspeita que também existam idiossincrasias importantes em exatamente como diferentes indivíduos pensam e aprendem – e as maneiras pelas quais os cérebros dos usuários foram afetados por suas várias condições.

Finalmente, há um reconhecimento generalizado de que a supervisão ética deve acompanhar essa tecnologia em rápida evolução. Os BCIs apresentam múltiplas preocupações, desde a privacidade até a autonomia pessoal. Os especialistas em ética enfatizam que os usuários devem manter o controle total das saídas dos dispositivos. E embora as tecnologias atuais não possam decodificar os pensamentos privados das pessoas, os desenvolvedores terão registros de todas as comunicações dos usuários e dados cruciais sobre a saúde do cérebro. Além disso, os BCIs apresentam um novo tipo de risco de segurança cibernética.

Também há um risco para os participantes de que seus dispositivos não sejam suportados para sempre ou que as empresas que os fabricam falhem. Já existem casos em que os usuários ficaram desapontados quando seus dispositivos implantados ficaram sem suporte.

Degray, no entanto, está ansioso para ver os BCIs alcançarem mais pessoas. O que ele mais gostaria da tecnologia assistiva é poder coçar a sobrancelha, diz. “Todo mundo olha para mim na cadeira e sempre diz: 'Ah, coitado, ele não pode mais jogar golfe'. Isso é ruim. Mas o verdadeiro terror é no meio da noite, quando uma aranha passa pelo seu rosto. Essa é a parte ruim.

Para Johnson, trata-se de conexão humana e feedback tátil; um abraço de um ente querido. “Se pudermos mapear os neurônios responsáveis ​​por isso e, de alguma forma, filtrá-los em uma prótese algum dia no futuro, ficarei muito satisfeito com meus esforços nesses estudos”.