Publicado na EurekAlert!
Desde o início dos anos 70, cientistas têm desenvolvido interfaces cérebro-computador; a principal aplicação sendo o uso de próteses neurais em pacientes paralisados ou amputados. Um membro protético controlado diretamente por atividade cerebral pode recuperar parcialmente sua atividade motora perdida. Isso é alcançado através da decodificação da atividade neuronal, registrada por eletrodos, que é então traduzida em movimentos robóticos. Tais sistemas, porém, possuem precisão limitada devido à ausência de feedback sensorial do membro artificial. Neurocientistas na University of Geneva, Suíça, se perguntaram se era possível transmitir a sensação faltante de volta ao cérebro ao estimular atividade neural no córtex. Eles descobriram que não só era possível criar uma sensação artificial dos movimentos neuroprotéticos, mas também que o processo de básico de aprendizado ocorre de maneira bem rápida. Esses achados, publicados no periódico científico Neuron, foram obtidos utilizando ferramentas modernas de imagem e simulação óptica, oferecendo uma inovadora alternativa à abordagem clássica com eletrodos.
Função motora é central à todos os comportamentos e nos permite interagir com o mundo. Portanto, substituir um membro perdido por uma prótese robótica é o assunto de muitas pesquisas. Mesmo assim, resultados de sucesso são raros. Porque isso ocorre? Até este momento, interfaces cérebro-computador são operados dependendo majoritariamente de percepção visual – ou seja, o braço robótico é controlado ao olhar para ele. O fluxo direto de informação entre o cérebro e a máquina permanece, assim, unidirecional. Porém, percepção de movimento não é apenas baseada em visão mas principalmente em propriocepção, a sensação de onde um membro está localizado no espaço. “Nós nos perguntamos portanto se era possível estabelecer uma comunicação bidirecional em uma interface cérebro-computador: simultaneamente ler atividade neuronal, transmiti-la como um movimento protético e reinjetar um feedback sensorial desse movimento de volta ao cérebro”, explicou Daniel Huber, professor no Departamento de Neurociências Básicas na Faculdade de Medicina da UNIGE.
Providenciando sensações artificiais de movimento protético
Em contraste com abordagens invasivas envolvendo eletrodos, a equipe de Daniel Huber se especializou em técnicas ópticas para visualizar imagens e estimular atividade cerebral. Usando um método chamado de microscopia de dois fótons, eles mediram rotineiramente a atividade de centenas de neurônios com resolução de uma célula única. “Nós queríamos testar se ratos conseguiam aprender a controlar uma prótese neural dependendo apenas de um feedback sensorial artificial”, explicou Mario Prsa, pesquisador da UNIGE e primeiro autor do estudo. “Nós formamos imagens da atividade neural no córtex motor. Quando o rato ativou um neurônio específico, o neurônio escolhido para controle neuroprotético, nós simultaneamente aplicamos uma estimulação proporcional à essa atividade no córtex sensorial usando luz azul”. De fato, neurônios do córtex sensorial foram tornados fotossensíveis à esta luz, possibilitando que fossem ativados por uma série de flashes ópticos e assim integrarem o feedback sensorial artificial. Os ratos foram recompensados por cada ativação acima do limiar, e 20 minutos depois, quando a associação foi aprendida, o roedor era capaz de gerar a atividade neuronal correta com mais frequência.
Isso significa que a sensação artificial não só foi sentida, mas foi integrada com sucesso como um feedback do movimento protético. Dessa maneira, a interface máquina-computador funciona de maneira bidirecional. Os pesquisadores de Geneva acreditam que a razão pela qual essa sensação fabricada é assimilada tão rápido é porque envolve funções cerebrais muito básicas. Sentir a posição dos nosso membros ocorre automaticamente, sem pensar muito sobre, e provavelmente reflete mecanismos de circuitos neurais fundamentais. Esse tipo de interface bidirecional pode permitir no futuro o desenvolvimento de membros robóticos mais precisos, sentindo objetos tocados ou percebendo a força necessária para segurá-los.
Atualmente, os neurocientistas da UNIGE estão examinando como produzir um feedback sensorial mais eficaz. Eles são capazes de fazê-lo para um único movimento, mas seria possível também providenciar múltiplos canais de feedback em paralelo? Essa pesquisa estabeleceu as bases para desenvolver uma nova geração de próteses mais precisas, bidirecionais.
Rumo a uma melhor compreensão dos mecanismos neurais de controle protético
Ao utilizarem-se de técnicas modernas de imagenologia, centenas de neurônios na área adjacente puderam também ser observados conforme os ratos aprendiam a tarefa neuroprotética. “Nós sabemos que existem milhões de conexões neurais. Porém, nós descobrimos que o animal ativou apenas o neurônio escolhido para controlar a ação neuroprotética, e não recrutou nenhum dos neurônios adjacentes”, adicionou Daniel Huber. “Isso é um achado muito interessante pois revela que o cérebro pode acionar e controlar especificamente a atividade de um único neurônio”. Pesquisadores podem potencialmente explorar esse conhecimento para não apenas desenvolver técnicas de decodificação mais estáveis e precisas, mas também para obter uma melhor compreensão da maioria das funções dos circuitos neurais básicos. Ainda restam ser descobertos quis mecanismos estão envolvidos no sinal de roteamento para o neurônio unicamente ativado.
