Biotecnologia
Interfaces Cérebro-Computador (BCI): Avanços que Capacitam Pessoas com Deficiência a Restaurar Habilidades e Prosperar
O avanço tecnológico está crescendo a um ritmo tão rápido que pessoas com deficiência agora podem falar, andar, jogar e fazer muito mais usando apenas suas mentes.
Esse desenvolvimento tem sido impulsionado por progresso na tecnologia de Interface Cérebro-Computador (BCI). As BCIs permitem que indivíduos controlem dispositivos externos, como computadores, usando apenas seus pensamentos. Essas interfaces funcionam adquirindo sinais cerebrais, analisando-os e traduzindo-os em comandos que podem ser transmitidos ao dispositivo de saída.
As BCIs têm uma ampla gama de aplicações, incluindo auxiliar pessoas com deficiência ao restaurar funções perdidas devido a condições como AVC, neurodegeneração e lesão medular. Ao restaurar capacidades como visão, fala e função motora, as BCIs demonstram o potencial de aprimorar habilidades humanas.
Dependendo de como os sinais são captados do cérebro, a Interface Cérebro-Computador pode ser denominada either:
- Invasiva, onde eletrodos são implantados diretamente no córtex
- Semi-invasiva, onde eletrodos são colocados na superfície exposta do cérebro
- Não invasiva, onde eletrodos são colocados no couro cabeludo
Na última década, a pesquisa e o desenvolvimento em tecnologia BCI cresceram significativamente. Avanços recentes permitiram que indivíduos com paralisia severa se comuniquem traduzindo seus sinais cerebrais em texto e recuperem o controle sobre membros protéticos ou seus músculos. As BCIs também estão sendo exploradas para melhorar a memória, aprimorar o aprendizado e abordar questões de saúde mental.
Com tanto acontecendo no campo das BCI, vamos dar uma olhada nas descobertas mais recentes feitas por cientistas que têm o potencial de melhorar significativamente as capacidades humanas.
Restaurando a Capacidade de Fala com Alta Precisão
Em um estudo publicado este mês, pesquisadores desenvolveram uma nova BCI que traduz sinais cerebrais em fala com uma precisão de até 97%, que é um dos sistemas mais precisos de seu tipo.
Os sensores foram implantados no cérebro de Casey Harrell, um homem de 45 anos que tinha a fala gravemente comprometida devido à esclerose lateral amiotrófica (ELA). Também conhecida como doença de Lou Gehrig, esse distúrbio neurológico afeta as células nervosas que controlam o movimento em todo o corpo e leva à perda gradual da capacidade de caminhar, ficar em pé e falar.
Quando Harrell ingressou no ensaio clínico BrainGate, sua fala era incompreensível, e outras pessoas precisavam ajudá-lo a interpretá-la. No entanto, poucos minutos após ativar o sistema BCI, ele conseguiu comunicar a fala que pretendia.
A UC Davis Health criou esta nova tecnologia BCI para pessoas com condições neurológicas que não conseguem se comunicar por fala.
Quando um usuário tenta falar, o novo sistema interpreta os sinais cerebrais antes de convertê-los em texto que é então ‘falado’ em voz alta pelo computador.
“Nossa tecnologia BCI ajudou um homem com paralisia a se comunicar com amigos, familiares e cuidadores.”
– David Brandman, coautor sênior e co‑investigador principal do estudo e neurocirurgião na UC Davis
Ele também acrescentou que o experimento demonstrou “a prótese de fala mais precisa (dispositivo) já relatada”.
Brandman, que também é professor assistente no Departamento de Cirurgia Neurológica da UC Davis e co‑diretor do Laboratório de Neuropróteses da UC Davis, implantou o dispositivo BCI em julho do ano passado. Quatro matrizes de microeletrodos foram implantadas na região cerebral responsável pela coordenação da fala, o giro pré‑central esquerdo. Essas matrizes utilizam 256 eletrodos corticais para registrar a atividade cerebral.
Com este dispositivo, as tentativas dos pacientes de mover músculos e falar são detectadas.
“Estamos registrando a parte do cérebro que está tentando enviar esses comandos aos músculos. E basicamente estamos ouvindo isso, e traduzindo esses padrões de atividade cerebral em um fonema – como uma sílaba ou a unidade da fala – e então nas palavras que eles estão tentando dizer”.”
– Neurocientista Sergey Stavisky, co‑investigador principal do estudo e professor assistente no Departamento de Cirurgia Neurológica e co‑diretor do Laboratório de Neuropróteses da UC Davis
A tecnologia BCI progrediu muito ao longo dos últimos anos, mas os esforços para habilitar a comunicação têm sido lentos e propensos a erros frequentes de palavras. Isso ocorre porque os programas de aprendizado de máquina que interpretam os sinais cerebrais exigem muito tempo e dados para funcionar.
O novo sistema visa remover essa barreira à comunicação que dificulta que o usuário seja compreendido de forma consistente.
“Nosso objetivo foi desenvolver um sistema que capacite alguém a ser compreendido sempre que quiser falar.”
– Brandman
O paciente usou o sistema tanto em situações de conversa espontânea quanto em situações guiadas. A decodificação rápida, em ambos os casos, ocorreu em tempo real com atualizações constantes que mantiveram o funcionamento preciso. As palavras decodificadas foram então exibidas em uma tela e lidas em voz alta pelo computador.
A voz que a leu em voz alta era, na verdade, a voz do paciente antes de ele ter ELA. Para isso, os pesquisadores usaram um software que foi treinado com amostras de áudio existentes da voz pré‑ELA do paciente.
A primeira sessão de treinamento de dados de fala levou apenas meia hora para que o sistema alcançasse impressionantes 99,6% de precisão de palavras com um vocabulário de 50 palavras. A sessão seguinte exigiu mais 1,4 horas de dados de treinamento para alcançar 90,2% de precisão de palavras com um vocabulário de 125.000 palavras. Com a coleta contínua de dados, a BCI manteve 97,5% de precisão.
Essa capacidade de decodificar o que a pessoa com o implante está dizendo corretamente cerca de 97% das vezes, segundo Brandman, “é melhor que muitas aplicações de smartphone comercialmente disponíveis que tentam interpretar a voz de uma pessoa”.
O estudo realizou 84 sessões de coleta de dados ao longo de 32 semanas. O paciente usou a BCI para comunicação via videochamada e presencialmente por mais de 248 horas.
Aprimorando a Comunicação & Mobilidade com Sistemas BCI Únicos
Outro grande desenvolvimento nos últimos meses veio da Carnegie Mellon University, onde os pesquisadores conseguiram alcançar funcionalidade BCI bidirecional. Essa conquista aprimora a capacidade da interface de interpretar sinais cerebrais e enviar feedback sensorial diretamente de volta ao cérebro.
Bin He, professor de engenharia biomédica na universidade, e seu grupo foram bem‑sucedidos em integrar estimulação por ultrassom focalizado para realizar comunicação dupla pela primeira vez.
Em um estudo com 25 participantes humanos, a BCI bidirecional usou aprendizado de máquina para codificar e decodificar ondas cerebrais. Esse desenvolvimento tem o potencial de melhorar significativamente a qualidade do sinal e o desempenho geral das BCIs não invasivas ao estimular circuitos neurais direcionados.
Embora a tecnologia BCI não invasiva seja segura e barata, o fato de que ela registra sinais sobre o couro cabeludo em vez de dentro do cérebro e a qualidade desses sinais têm limitações.
Como tal, o grupo da Carnegie Mellon University tem trabalhado na melhoria da eficácia das BCIs não invasivas. Isso levou ao uso de abordagens de deep learning para decodificar exatamente o que a pessoa está pensando e, em seguida, facilitar o controle de um braço robótico ou cursor. Agora, em sua pesquisa mais recente, o grupo usou ultrassom focalizado para neuromodulação não invasiva de precisão, e os resultados mostraram um aumento significativo no desempenho da comunicação BCI baseada em EEG.
Os participantes humanos do estudo usaram um ortógrafo BCI, que é um auxílio visual de movimento comumente usado por não falantes para comunicar e soletrar frases como “Carnegie Mellon”.
No estudo, os participantes colocaram uma touca EEG e geraram sinais EEG apenas ao olhar para letras para soletrar as palavras que desejavam.
Ao aplicar um feixe de ultrassom focalizado na área V5 do cérebro, que faz parte do córtex visual, os pesquisadores conseguiram melhorar o desempenho da BCI não invasiva entre os participantes drasticamente.
“A Iniciativa BRAIN apoiou mais de 60 projetos de ultrassom desde sua criação. Esta aplicação única de tecnologias de registro e modulação não invasivas expande o conjunto de ferramentas, com um impacto potencialmente escalável na assistência a pessoas que vivem com deficiências de comunicação.”
– Dra. Grace Hwang, diretora de programa da Iniciativa BRAIN no NIH
No entanto, outro grande desenvolvimento foi observado no ano passado quando a BCI permitiu que um homem paralítico, após sofrer uma lesão na medula espinhal, não apenas se levantasse, mas também caminhasse naturalmente. Essa interface cérebro‑coluna vertebral ganhou o Prêmio Physics World 2023 Breakthrough of the Year.
Esse sistema incluía dois dispositivos totalmente implantáveis, um registrando a atividade cerebral relacionada ao movimento das pernas e o outro estimulando eletricamente a medula espinhal para controlar os músculos das pernas. Isso criou uma ‘ponte digital’, permitindo que um indivíduo com paralisia dos braços e pernas caminhasse.
Os sinais ECoG do cérebro foram monitorados usando uma grade de eletrodos de 64 canais embutida em um invólucro de titânio com a mesma espessura do crânio.
A tecnologia foi desenvolvida com base no WIMAGINE, um dispositivo médico implantável único capaz de registrar a atividade cerebral na superfície do córtex. Um algoritmo de IA dedicado também foi desenvolvido para decodificação em tempo real da intenção de movimento do paciente.
No ensaio clínico do dispositivo, um homem de 38 anos com lesão cervical medular incompleta decorrente de um acidente de bicicleta uma década antes teve dois dispositivos implantados cirurgicamente em seu cérebro e um eletrodo em forma de pá em sua medula espinhal lombar.
Usando o BSI, o paciente conseguiu subir escadas, contornar obstáculos e navegar por terrenos variados. Além disso, o BSI foi estável e confiável por mais de um ano de uso sem supervisão.
Mas e a Segurança dos Dispositivos BCI?
Em meio a todo esse progresso, surgiram muitas preocupações sobre o manuseio de dados neurais e ameaças de cibersegurança, como interceptação cerebral e ataques de estímulos enganosos. Outra grande preocupação diz respeito ao perfil de segurança da interface cérebro‑computador.
Para BCIs invasivas, há risco de infecções cerebrais, danos ao tecido, convulsões, sangramentos e hemorragias. Em contraste, BCIs não invasivas podem causar dores de cabeça, fadiga ocular e irritação cutânea devido à exposição prolongada a campos eletromagnéticos.
Embora essas preocupações sejam legítimas, um estudo de pesquisadores da Brown University analisou quase duas décadas de dados de segurança em ensaios clínicos que testaram a tecnologia BrainGate e encontrou baixas taxas de eventos adversos.
A BCI BrainGate está em desenvolvimento há mais de vinte anos, e o estudo mais recente conclui que sua neurotecnologia deve continuar a ser avaliada por seu potencial de ajudar pessoas com paralisia a transformar pensamentos sobre movimento em ação real e recuperar funções neurológicas perdidas.
De acordo com o Dr. Leigh R. Hochberg, professor de neurociência na Brown e diretor do consórcio acadêmico BrainGate que lidera o desenvolvimento e teste da tecnologia:
“No maior ensaio em andamento de interfaces cérebro‑computador intracorticais, o perfil de segurança intermediário relatado hoje apoia a possibilidade de que esses sistemas possam se tornar neurotecnologias restauradoras para pessoas com paralisia.”
Embora a BCI intracortical demonstre enorme potencial em mobilidade e restauração comunitária, Hochberg afirmou que, para que esses avanços realmente se traduzam em cuidados ao paciente, tudo depende de “se os dispositivos são acompanhados por um grau de risco aceitavelmente baixo.”
O relatório de segurança avaliou pouco mais de 12.200 dias de dados de segurança envolvendo 14 participantes de ensaios clínicos, com idades entre 18 e 75 anos, com quadriparesia resultante de ELA, lesão medular ou AVC no tronco encefálico.
Entre 2004 e 2021, quando todos esses pacientes foram inscritos nos ensaios, foram encontrados 68 eventos adversos relacionados ao dispositivo. A irritação cutânea foi o problema mais comum, ocorrendo na pequena porção do dispositivo.
Seis eventos adversos foram associados ao procedimento cirúrgico. Dois participantes com histórico de lesão cerebral traumática sofreram convulsões breves pós‑operação, mas foram facilmente tratados.
Apesar de serem eventos adversos, nenhum dos documentados foi inesperado. Além disso, nenhum desses eventos adversos levou a infecções no sistema nervoso que exigissem remoção do dispositivo ou resultassem em incapacidade permanentemente aumentada.
Embora as constatações de segurança encorajadoras do sistema BrainGate Neural Interface representem um grande avanço, ainda há muito trabalho a ser feito, incluindo garantir que os dispositivos sejam totalmente implantados e estejam disponíveis para os usuários 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Empresas que Avançam no Campo da BCI
Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel e Emotiv estão entre as muitas organizações que trabalham para avançar essa tecnologia e explorar suas aplicações nos setores médico, cognitivo e de entretenimento.
A maioria dessas empresas são de capital privado, e é raro ver empresas públicas avançarem nessa área. As que são públicas fazem parte de organizações maiores. Por exemplo, a NextMind, que desenvolveu um dispositivo BCI não invasivo, foi adquirida pela Snap Inc. Outro exemplo é a Ctrl‑labs, uma startup de interface neural que foi adquirida pela Meta (anteriormente Facebook).
Então, vamos dar uma olhada em alguns nomes proeminentes que estão na vanguarda da tecnologia BCI:
#1. Neurable
Neurable é uma empresa de neurotecnologia que desenvolve ferramentas impulsionadas por IA para tradução de sinais cerebrais e tecnologia BCI. Em maio de 2024, a empresa arrecadou US$ 13 milhões, elevando seu total de captação de recursos desde a fundação para mais de US$ 30 milhões. No final de 2019, a Neurable levantou US$ 6 milhões em uma rodada de financiamento Série A para ir além das aplicações de realidade virtual e desenvolver BCI não invasiva, dois anos depois de apresentar o primeiro jogo de realidade virtual controlado pela mente do mundo.
Agora, com a nova rodada de financiamento, a empresa pretende tornar sua tecnologia “acessível a todos”, disse o CEO Dr. Ramses Alcaide, acrescentando:
“Estamos capacitando indivíduos a entender sua própria mente, otimizar o desempenho humano e conquistar os desafios de saúde mais urgentes da nossa geração.”
#2. Precision Neuroscience
Esta empresa estabeleceu recentemente um recorde mundial para o número de eletrodos, 4.096 no total, colocados no cérebro humano para registrar dados corticais. O desenvolvimento fez parte dos testes da Precision Neuroscience de sua Interface Cortical Camada 7. Espera‑se que essa conquista ajude a empresa a “entender o cérebro de forma muito mais profunda”.
A Precision Neuroscience foi fundada por Benjamin Rapoport, um neurocirurgião que co‑fundou a Neuralink, mas saiu, citando preocupações de segurança.
#3. Neuralink
Fundada por Elon Musk, a Neuralink é uma empresa privada dos EUA que desenvolve BCIs de alta largura de banda para tratar condições neurológicas e, eventualmente, aprimorar as habilidades cognitivas humanas. O foco da empresa é criar dispositivos implantáveis que possam ler e estimular um grande número de neurônios.
Mais recentemente, a segunda pessoa com um chip cerebral Neuralink, que, ao contrário do primeiro, permanece totalmente conectado ao cérebro, usou o implante para jogar o popular videogame Counter‑Strike 2. O chip foi implantado no mês passado, e o paciente relatou uma recuperação “suave”. O paciente havia perdido o controle dos membros após uma lesão medular.
Esse desenvolvimento ocorreu depois que o primeiro paciente teve 85% dos eletrodos ligados ao cérebro deslocados, embora ainda pudesse usar o implante de forma eficaz. A empresa reduziu algumas mitig ações para evitar o problema, e até agora não foi observada nenhuma retração de fios.
Durante sua mais recente participação no podcast de Lex Fridman, Musk previu que um humano com cérebro aprimorado por chip derrotando um jogador profissional de videogame não está tão distante agora. Falando sobre o futuro, Musk também disse que o objetivo de longo prazo da Neuralink é melhorar a simbiose entre IA e humanos, aprimorando a capacidade de comunicação de um indivíduo em larga escala.
Conclusão
A tecnologia BCI tem ganhado muita atenção e impulso nos últimos anos, e esse desenvolvimento não mostra sinais de desaceleração. Na verdade, novos recordes e descobertas são constantemente alcançados, visando não apenas permitir que pessoas com deficiência tenham vidas mais enriquecedoras, mas também demonstrar o potencial de aprimorar capacidades em humanos saudáveis.
Embora o caminho para implementar essa tecnologia ainda seja longo, o progresso contínuo mostra que o que antes era parte da ficção científica pode em breve se tornar realidade.
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