Ultrassom lê cérebros de macacos e sugere uma nova forma de controlar máquinas com a mente

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Pesquisadores transformaram uma série de imagens de ultrassom do cérebro de um macaco em previsões sobre os movimentos pretendidos. (Créditos: Sumner Norman)

Traduzido por Julio Batista
Orignal de Kelly Servick para a Science

Os dispositivos controlados pela mente mais avançados testados em humanos dependem de minúsculos fios inseridos no cérebro. Agora, os pesquisadores abriram o caminho para uma opção menos invasiva. Eles usaram imagens de ultrassom para prever os movimentos pretendidos dos olhos ou das mãos de um macaco – informações que podem gerar comandos para um braço robótico ou cursor de computador. Se a abordagem puder ser melhorada, pode oferecer às pessoas com paralisia um novo meio de controlar as próteses sem equipamentos penetrando no cérebro.

“Este estudo colocará o ultrassom no mapa como uma técnica de interface cérebro-máquina”, disse o neurocientista Krishna Shenoy da Universidade de Stanford (EUA), que não estava envolvido no novo trabalho. Adicionar isso ao kit de ferramentas é espetacular.”

Os médicos há muito tempo usam ondas sonoras com frequências além do alcance da audição humana para criar imagens de nosso interior. Um dispositivo chamado transdutor envia zunidos ultrassônicos para o corpo, que retornam para indicar os limites entre diferentes tecidos e fluidos.

Cerca de uma década atrás, os pesquisadores descobriram uma maneira de adaptar o ultrassom para imagens cerebrais. A abordagem, conhecida como ultrassom funcional, usa um plano de som amplo e uniforme em vez de um feixe estreito para capturar uma grande área de forma mais rápida do que o ultrassom tradicional. Como a ressonância magnética funcional (fMRI), o ultrassom funcional mede as mudanças no fluxo sanguíneo que indicam quando os neurônios estão ativos e gastando energia. Mas ele cria imagens com resolução muito mais precisa do que a fMRI e não exige que os participantes fiquem em um equipamento de varredura enorme.

A técnica ainda requer a remoção de um pequeno pedaço de crânio, mas ao contrário de eletrodos implantados que leem a atividade elétrica dos neurônios diretamente, ela não envolve a abertura da membrana protetora do cérebro, observa o neurocientista Richard Andersen, da Caltech, um coautor do novo estudo. O ultrassom funcional pode ler regiões profundas do cérebro sem penetrar no tecido.

Ainda assim, medir a atividade neural à distância significa sacrificar um pouco de velocidade e precisão, disse o coautor de Andersen, o engenheiro bioquímico da Caltech Mikhail Shapiro. Em comparação com as leituras dos eletrodos, o ultrassom funcional fornece “um sinal menos direto”, disse ele, então “havia uma questão de quanta informação [as imagens de ultrassom] realmente contêm”. As imagens podem revelar a atividade neural enquanto o cérebro se prepara para um movimento. Mas havia detalhes suficientes naquele sinal para um computador decodificar o movimento pretendido?

Para descobrir, os pesquisadores inseriram pequenos transdutores de ultrassom, aproximadamente do tamanho e formato de uma peça de dominó, nos crânios de dois macacos-rhesus. O dispositivo – conectado por um fio a um computador – direcionou ondas sonoras para uma região do cérebro chamada córtex parietal posterior, que está envolvida no planejamento de movimentos.

Os macacos foram treinados para focalizar seus olhos em um pequeno ponto no centro de uma tela enquanto um segundo ponto piscava brevemente à esquerda ou à direita. Quando o ponto central desapareceu, os animais moveram seus olhos para o lugar onde o segundo ponto havia piscado recentemente. Em outro conjunto de experimentos, eles estenderam a mão e moveram um joystick, em vez dos olhos, em direção a esse ponto.

Um algoritmo de computador traduziu os dados do ultrassom em suposições sobre as intenções dos macacos. Esse algoritmo podia determinar quando os animais estavam se preparando para se mover e se planejavam um movimento dos olhos ou do braço. Os cientistas poderiam prever se um movimento seria para a esquerda ou para a direita com cerca de 78% de precisão para movimentos oculares e 89% de precisão para movimentos do braço, como relataram na Neuron.

Dois estudos anteriores usaram dados de ultrassom funcionais no cérebro do macaco para reconstruir o que os animais estavam vendo e os movimentos dos olhos. Mas fazer isso exigia uma média de sinais em longos períodos de tempo ou de movimentos múltiplos. No novo estudo, os pesquisadores coletaram dados suficientes para fazer uma previsão em cada execução do experimento – cada vez que o macaco planejava um movimento.

Essa é uma característica importante, disse Maureen Hagan, neurocientista da Universidade Monash (Austrália) que estudou como o cérebro orquestra o movimento. O usuário de um braço robótico gostaria de pensar sobre o movimento pretendido apenas uma vez para fazer o braço se mover, por exemplo. “Você não quer pessoas tendo de fazer muitas [tentativas de movimentos] para decodificar suas intenções.”

Um próximo passo importante será usar as previsões do computador em tempo real para guiar a mão de um robô ou um cursor, disse Shenoy. Ele acrescenta que o ultrassom funcional “tem um longo caminho a percorrer antes de começar a se aproximar do nível das atuais tecnologias de implante”, em termos de velocidade e complexidade dos movimentos que pode decodificar.

Por exemplo, os implantes de eletrodo já podem decodificar os movimentos pretendidos do braço em muitas direções – não apenas para a esquerda e direita. Mas alguns pacientes podem preferir uma prótese que os conecte a um computador sem penetrar em seu cérebro. “É algo muito pessoal”, diz Shenoy. “Os pacientes querem opções.”

Como os sinais do fluxo sanguíneo são mais lentos do que os elétricos, a velocidade é uma limitação inerente ao ultrassom funcional, acrescenta a neurocientista Emilie Macé, do Instituto Max Planck de Neurobiologia. Os pesquisadores precisavam de dados de um período de aproximadamente 2 segundos para decodificar o planejamento do movimento dos macacos, observa Macé, que ajudou a desenvolver a tecnologia de ultrassom no laboratório do físico Mickael Tanter do INSERM, a agência francesa de pesquisa biomédica – uma coautora do novo estudo. Mas o ultrassom ainda pode guiar um braço robótico, disse ela, desde que um computador possa direcionar rapidamente os movimentos motores precisos do braço a partir da sugestão do usuário.

Macé prevê muitas melhorias futuras para a técnica, incluindo fazê-la coletar mais informações por meio de imagens 3D de pedaços de tecido em vez de um plano uniforme. “A tecnologia ainda não atingiu todo o seu potencial.”