Interfaces Cérebro-Computador (BCI) Avanços Empoderando Pessoas com Deficiência para Restaurar Capacidades e Prosperar

O avanço tecnológico está crescendo a um ritmo tão rápido que pessoas com deficiência agora podem falar, andar, jogar jogos e fazer muito mais usando apenas suas mentes.

Esse desenvolvimento temsido impulsionado peloprogresso em tecnologia de Interface Cérebro-Computador (BCI). BCI 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 quepodem ser transmitidos para o dispositivo de saída.

BCI têm uma ampla gama de aplicações, incluindo ajudar pessoas com deficiência ao restaurar funções perdidas devido a condições como acidente vascular cerebral, neurodegeneração e lesão da medula espinhal. Ao restaurar capacidades como visão, fala e função motora, BCI demonstram o potencial de melhorar as capacidades humanas.

Dependendo de como os sinaissão obtidos do cérebro, a Interface Cérebro-Computador podeser classificada como:

1. Invasiva, onde eletrodossão implantados diretamente no córtex
2. Semi-invasiva, onde eletrodossão colocados na superfície exposta do cérebro
3. Não-invasiva, onde eletrodossão colocados no couro cabeludo

Ao longo da última década, a pesquisa e o desenvolvimento em tecnologia BCI cresceram significativamente. Avanços recentes permitiram que indivíduos com paralisia severa se comunicassem traduzindo seus sinais cerebrais em texto e recuperassem o controle sobre membros prostéticos ouseusmúsculos. BCI tambémestão sendo explorados para melhorar a memória, aumentar o aprendizado e abordar questões de saúde mental.

Com tudo o que está acontecendo no campo da BCI, vamosdar uma olhada nos avanços mais recentes feitos por cientistas que têm o potencial de melhorar significativamente as capacidades humanas. 

Restaurando a Capacidade de Fala com Alta Precisão

Em um estudo publicado apenas este mês, os pesquisadores desenvolveram um novo BCI quetraduz sinais cerebraisem falacom uma precisão de até 97%, o que é um dos sistemas mais precisos do seu tipo.

Os sensoresforam implantados no cérebro de Casey Harrell, um homem de 45 anos que tinha fala severamente prejudicada devido à esclerose lateral amiotrófica (ELA). Também conhecida como doença de Lou Gehrig, essa doença neurológica afeta as células nervosas que controlam o movimento em todo o corpo e leva a uma perda gradual da capacidade de andar, ficar de pé e falar.

Quando Harrell se juntou ao ensaio clínico BrainGate, sua fala era ininteligível, e os outros tinham que ajudar a interpretá-la para ele. No entanto, dentro de minutos após ativar o sistema BCI, ele foi capaz de se comunicar.

A UC Davis Health criou essa nova tecnologia BCI para pessoas com condições neurológicas que não conseguem se comunicar por meio da fala. 

Quando um usuário tenta falar, o novo sistema interpreta 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, co-autor sênior e co-investigador principal do estudo e neurocirurgião da UC Davis

Ele também acrescentou que seu experimento demonstrou “a prótese de fala neuroprótese (dispositivo) mais precisa 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 microeletrodosforam implantadas no cérebro na região responsável pela coordenação da fala, o giro pré-central esquerdo. Essas matrizes utilizam 256 eletrodos corticais para registrar a atividade cerebral.

Com esse dispositivo, as tentativas dos pacientes de mover músculos e falarsão detectadas.

“Estamos gravando a parte do cérebro que está tentando enviar esses comandos para os músculos. E estamosbasicamenteouvindo isso, e estamos traduzindo esses padrões de atividade cerebral em uma fonema – como uma sílaba ou a unidade de fala – e então as 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 nos últimos anos, mas os esforços para habilitar a comunicação têm sido lentos e propensos a erros frequentes de palavras. Issoé porque os programas de aprendizado de máquina que interpretam sinais cerebrais exigem muito tempo e dados para realizar.

O novo sistema visa remover essa barreira à comunicação que torna difícil para o usuário ser entendido consistentemente.  

“Nosso objetivo era desenvolver um sistema que permitisse que alguém fosse entendido sempre que quisesse falar.”

– Brandman

O paciente usou o sistema em ambientes de conversação espontânea e provocada. A decodificação de velocidade, em ambos os casos, ocorreu em tempo real com atualizações constantes que mantiveram seu funcionamento preciso. As palavras decodificadas foram então exibidas na tela e lidas em voz alta pelo computador. 

A voz que as leu em voz alta era, na verdade, a do paciente antes que ele tivesse ELA. Para isso, os pesquisadores usaram um software quefoi treinado com amostras de áudio existentes da voz do paciente antes da ELA.

A primeira sessão de treinamento de dados de fala levou apenas meia hora para alcançar uma precisão de palavra impressionante de 99,6% com um vocabulário de 50 palavras. A próxima sessão levou mais 1,4 horas de dados de treinamento para alcançar uma precisão de palavra de 90,2% para um vocabulário de 125.000 palavras. Com a continuação da coleta de dados, o BCI manteve uma precisão de 97,5%.

Essa capacidade de decodificar o que a pessoa com o implante está dizendo corretamente cerca de 97% do tempo, de acordo com Brandman, “é melhor do que muitos aplicativos comerciais de smartphone 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 o BCI para comunicação por meio de chat de vídeo e pessoalmente por mais de 248 horas. 

Melhorando a Comunicação e a Mobilidade com Sistemas BCI Únicos

Outro grande desenvolvimento nos últimos meses veio da Universidade Carnegie Mellon, onde os pesquisadoresconseguiram alcançar a funcionalidade BCI bidirecional. Esse avanço melhora a capacidade da interface de interpretar sinais cerebrais e enviar feedback sensorial diretamente de volta ao cérebro. 

Bin He, professor de engenharia biomédica da universidade, e seu grupo foram bem-sucedidos em integrar a estimulação por ultrassom focado para realizar comunicação dual pela primeira vez. 

Em um estudo com 25 sujeitos humanos, o 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 do BCI não invasivo estimulando circuitos neurais direcionados.

Embora a tecnologia BCI não invasiva seja segura e barata, o fato de registrar sinais sobre o couro cabeludo em vez de dentro do cérebro e a qualidade dos sinais têm limitações. 

Como tal, o grupo da Universidade Carnegie Mellon tem trabalhado para melhorar a eficácia dos BCI não invasivos. Issolevou a usar abordagens de aprendizado profundo para decodificar o que alguém está pensando e, em seguida, facilitar o controle de um braço robótico ou cursor. Agora, em sua pesquisa mais recente, o grupo usou ultrassom focado para neuromodulação não invasiva de precisão, e os resultados mostraram um aumento significativo no desempenho da comunicação BCI baseada em EEG.

Os sujeitos humanos no estudo usaram um dicionário BCI, que é um auxílio visual comum usado por não falantes para se comunicar e soletrar frases como “Carnegie Mellon”.

No estudo, os sujeitos colocaram um capacete EEG e geraram sinais EEG apenas olhando para as letras para soletrar as palavras que desejavam.

Ao aplicar um feixe de ultrassom focado na área V5 do cérebro, que é parte do córtex visual, os pesquisadoresconseguiram melhoraro desempenho do BCI não invasivo entre os sujeitosgrandemente. 

“A Iniciativa Cérebro tem apoiado mais de 60 projetos de ultrassom desde sua criação. Essa aplicação única de tecnologias de gravação e modulação não invasivas expande a caixa de ferramentas, com um impacto potencialmente escalável em ajudar pessoas que vivem com deficiências de comunicação.”

– Dr. Grace Hwang, diretora de programa na Iniciativa Cérebro do NIH

Aindaoutro grande desenvolvimentofoi visto no ano passado, quando o BCI permitiu que um homem paralisado, após sofrer uma lesão da medula espinhal, não apenas se levantasse, mas também caminhasse naturalmente. Esse sistema de interface cérebro-espinha ganhou o Prêmio de Avanço do Ano da Physics World 2023.

Esse sistema incluiu dois dispositivos totalmente implantáveis, um registrando a atividade cerebral relacionada ao movimento da perna e o outro estimulando eletricamente a medula espinhal para controlar os músculos da perna. Issocriou uma “ponte digital”, permitindo que um indivíduo com paralisia dos braços e pernas caminhe.

Os sinais ECoG do cérebroforam monitorados usando uma grade de eletrodo de 64 canais incorporada em um caso de titânio com a mesma espessura do crânio.

A tecnologia foi desenvolvidacom base naWIMAGINE, um dispositivo médico implantável único capaz de registrar a atividade cerebral na superfície do córtex. Um algoritmo de IA dedicado também foi desenvolvidopara decodificação em tempo real da intenção de movimento do paciente.

No ensaio clínico do dispositivo, um homem de 38 anos com lesão da medula espinhal cervical incompleta devido a um acidente de bicicleta uma década antes teve dois dispositivos implantados cirurgicamente em seu cérebro e uma haste de condução na medula espinhal lombar.

Usando o BSI, o paciente foi capaz de subir escadas, negociar obstáculos e navegar terrenos em mudança. Além disso, o BSI foi estável e confiável por mais de um anode usosem supervisão.

Mas e a Segurança dos Dispositivos BCI?

Em meio a todo esse progresso, houve muitas preocupações com relação ao manejo de dados neurais e ameaças de segurança cibernética, como ataques de estímulo enganoso e gravação de cérebro. Outra grande preocupação é com relação ao perfil de segurança da interface cérebro-computador.

Para BCI invasivos, o risco de infecções cerebrais, danos nos tecidos, convulsões, sangramento e hemorragia surge. Em contraste, BCI não invasivos podem causar dores de cabeça, fadiga ocular e irritação da pele devido à exposição prolongada a campos eletromagnéticos. 

Embora essas preocupações sejam legítimas, umestudo da Universidade Brownanalisou quase duas décadas de dados de segurança de ensaios clínicos que testaram a tecnologia BrainGate e encontrou taxas baixas de eventos adversos.

A tecnologia BrainGate BCI está em desenvolvimento há mais de vinte anos, e o estudo mais recente conclui que sua neurotecnologia deve continuar aser avaliadapor seu potencial de ajudar pessoas com paralisia a transformar pensamentos sobre movimento em ação real e recuperar funções neurológicas perdidas.

De acordo com Dr. Leigh R. Hochberg, professor de ciência cerebral da Brown e diretor do consórcio acadêmico BrainGate que lidera o desenvolvimento e teste da tecnologia:

“No maior ensaio clínico em andamento de interfaces cérebro-computador intracorticais, o perfil de segurança interino relatado hoje apoia a possibilidade de que esses sistemas possam se tornar neurotecnologias restauradoras para pessoas com paralisia.”

Embora a BCI intracortical mostre um grande potencial na mobilidade e restauração da comunidade, Hochberg disse que, para que esses avanços se traduzam realmente em cuidados ao paciente, depende de “se os dispositivossão acompanhadospor um grau de risco aceitavelmente baixo.”

O relatório sobre segurança avaliou mais de 12.200 dias de dados de segurança que abrangiam 14 participantes de ensaios clínicos com idade entre 18 e 75 anos com quadriparese resultante de ELA, lesão da medula espinhal ou acidente vascular cerebral no tronco cerebral. 

Entre 2004 e 2021, quando todos esses pacientesforam inscritosnos ensaios, 68 eventos adversos relacionados ao dispositivo foram encontrados. A irritação da pele foi a questão mais comum, ocorrendo em uma pequena parte do dispositivo.

Seis eventos adversosforam encontradospara estar associados ao procedimento cirúrgico. Dois participantes com história de lesão cerebral traumática sofreram convulsões breves pós-operatórias, masforam facilmente tratados. 

Embora houvesse eventos adversos, nenhum deles foi inesperado. Além disso, nenhum desses eventos adversos levou a infecções no sistema nervoso que exigissem a remoção do dispositivo ou resultassem em deficiência permanentemente aumentada.

Embora as descobertas de segurança reconfortantes do sistema de interface neural BrainGate tenham sido um grande passo adiante, ainda há muito trabalho a ser feito, incluindo garantir que os dispositivos se tornem totalmente implantáveis e estejam disponíveis para os usuários 24 horas por dia, 7 dias por semana.

Empresas que Estão Fazendo Avanços no Campo da BCI

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel e Emotiv são algumas das muitas organizações que trabalham para avançar essa tecnologia e explorar suas aplicações nos setores médico, cognitivo e de entretenimento. 

A maioria dessas empresasé de propriedade privada, e é raro ver empresas públicas avançar nessa área. Aquelas que são públicas o são por fazerem 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 quefoi adquiridapela Meta (anteriormente Facebook).

Então, vamos dar uma olhada em alguns nomes proeminentes que estão à frente da tecnologia BCI:

#1. Neurable 

A Neurable é uma empresa de neurotecnologia que desenvolve ferramentas alimentadas por IA para tradução de sinais cerebrais e tecnologia BCI. Em maio de 2024, a empresa arrecadou $13 milhões, o que eleva sua captação de recursos desde sua fundação para mais de $30 milhões. Em fins de 2019, a Neurable arrecadou $6 milhões em uma rodada de financiamento da Série A para ir além das aplicações de realidade virtual e desenvolver BCI não invasivos, dois anos após lançar o primeiro jogo de realidade virtual controlado pela mente.

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 os indivíduos a entenderem suaprópriamente, otimizar o desempenho humano e superar os desafios de saúde mais prementes de nossa geração.”

#2. Precision Neuroscience

Essa empresa recentemente estabeleceu um recorde mundial pelo número de eletrodos, 4.096 no total, colocados no cérebro humano para registrar dados corticais. O desenvolvimento veio como parte do teste da Interface Cortical de Camada 7 da Precision Neuroscience. Esse feitoé esperadopara ajudar a empresa a “entender o cérebro de uma maneira muito mais profunda”.

A Precision Neurosciencefoi fundadapor 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 interfaces cérebro-computador de alta largura de banda para tratar condições neurológicas e, eventualmente, melhorar as capacidades cognitivas humanas. O foco da empresa está em criar dispositivos implantáveis que possam ler e estimular grandes números de neurônios.

Mais recentemente, a segunda pessoa com um chip de cérebro Neuralink, que, ao contrário do primeiro, permanece totalmente preso ao cérebro, usou o implante para jogar o popular jogo de vídeo Counter-Strike 2. O chip foi implantadono mês passado, e o paciente relatou uma “recuperação suave”. O paciente havia perdido o controle dos membros após uma lesão da medula espinhal. 

Esse desenvolvimento ocorreu após o primeiro paciente ter 85% dos eletrodos presos ao cérebro deslocados, embora ele ainda pudesse usar o implante com eficácia. A empresa reduziu algumas mitigações para evitar o problema, e nenhuma retração do fiofoi observadaaté agora.

Durante sua última aparição no podcast de Lex Fridman, Musk previu que um ser humano com um cérebro aprimorado por um chip derrotando um jogador profissional de vídeo game não está muito longe agora. Falando sobre o futuro, Musk também disse que o objetivo de longo prazo da Neuralink é melhorar a simbiose entre IA e humanos, aumentando a capacidade de um indivíduo se comunicar 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 avanços estão sendo constantementealcançadosque visam não apenas permitir que pessoas com deficiência tenham vidas mais enriquecedoras, mas também mostram o potencial de melhorar as capacidades em humanos saudáveis. 

Embora o caminho para implementar essa tecnologia seja longo por enquanto, o progresso contínuo mostra que o que era parte da ficção científica pode logo se tornar realidade. 

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