Conecte-me: a física das interfaces cérebro-computador – Physics World

O cérebro humano é uma máquina surpreendente e complexa. Com mais de 80 mil milhões de neurónios no córtex cerebral humano, cada um com mil sinapses, o nosso cérebro processa cerca de 100 megabits de informação por segundo. Imagine então tentar medir, extrair e interpretar todos os sinais do nosso cérebro em tempo real, na velocidade do pensamento. Acessar o cérebro pode ter sido outrora apenas nos domínios da ficção científica – de X-Men para A matriz – mas hoje é realmente possível conectar seu cérebro a um computador e controlar um braço robótico, digamos, ou traduzir seus pensamentos em texto.

Uma interface cérebro-computador (BCI) funciona como uma ponte entre o cérebro e um dispositivo externo, normalmente um computador. Os BCIs coletam, analisam e traduzem sinais elétricos do seu cérebro em comandos que podem ser compreendidos e executados por um computador. Eles também podem aplicar sinais externos para modular o cérebro. Graças a uma combinação de neurociência, biomedicina, física e tecnologia, as BCIs podem mudar a vida de pessoas com condições médicas graves. Eles também têm aplicações em robótica, neurociência, tecnologia, jogos e computação.

Nos últimos 25 anos, as BCIs permitiram que pessoas paralisadas operar computadores apenas pelo pensamento. Eles têm fala restaurada depois de ter sido perdido devido a um acidente vascular cerebral; permitiram que aqueles com falta ou membros paralisados ​​para funcionar novamente ou os ajudou a operar braços robóticos e mãos. Os BCI têm epilepsia diagnosticada e outras condições neurológicas, e as atenuou em dezenas de milhares de pessoas. Eles até se mostraram promissores para restaurando a visão aos cegos.

Mas a maioria destes exemplos requer cirurgia cerebral, na qual os eléctrodos são colocados sobre ou na camada superficial do cérebro (o córtex) e potencialmente ainda mais profundamente, o que é arriscado, pois pode induzir hemorragias ou infecções. Outro problema é que os pesquisadores atualmente não têm uma ideia clara do impacto e dos danos potenciais que os eletrodos implantados podem causar ao tecido cerebral, ao mesmo tempo que não sabem quanto tempo eles podem durar. Tudo isto significa que os implantes eléctricos no seu estado actual não podem ajudar de forma segura e fiável os milhões de pessoas que deles beneficiariam. Na verdade, as implantações humanas são realizadas apenas quando todos os outros tratamentos falham, ou numa base experimental – para cerca de 50 indivíduos em todo o mundo com limitações graves, como paralisia – onde a possibilidade de melhorar uma má qualidade de vida supera os perigos.

Felizmente, as soluções para alguns destes problemas podem residir em princípios e métodos da física, o que poderia tornar estes dispositivos mais seguros, mais duráveis ​​e mais amplamente disponíveis. A física também poderia ser usada para melhorar os métodos e materiais de implantação da BCI. Mais crucial, porém, é a necessidade de eliminar ou minimizar a cirurgia cerebral, fornecendo formas de interagir com o cérebro através de luz, campos magnéticos ou ultrassom. BCIs não invasivos, sem fio e portáteis ou vestíveis poderiam melhorar a pesquisa do cérebro e o tratamento médico, e também ser usados ​​na vida diária.

Toque com um pensamento

Desde a antiguidade até ao século XIX, médicos e experimentalistas, muitas vezes involuntariamente, realizaram várias experiências rudimentares nas quais tentaram modificar a actividade eléctrica do cérebro para tratamento médico. Em 19, esses esforços tornaram-se rigorosos quando o psiquiatra alemão Hans Berger registrou a atividade elétrica cerebral usando eletrodos colocados no crânio de um paciente, inventando assim a técnica da eletroencefalografia (EEG). Na década de 1924, o físico e cientista da computação Jacques Vidal demonstrou o controle do pensamento de um dispositivo externo, à medida que sujeitos humanos equipados com contatos de EEG moviam mentalmente um cursor exibido na tela de um computador.

O EEG continua a ser uma ferramenta não invasiva valiosa para diagnosticar condições como a epilepsia, permitindo-nos determinar a causa e o tipo de convulsões de que um paciente pode estar sofrendo, bem como investigar outras condições, como demência, tumores cerebrais e concussões. Mas um EEG coleta amostras de grandes grupos de neurônios, e a relação sinal-ruído é fraca, tornando difícil correlacionar os sinais com atividades cerebrais específicas.

Eletrodos implantados, por outro lado, amostram diretamente neurônios selecionados. Isto foi demonstrado experimentalmente em 1998, quando o neurologista Philip Kennedy, de Atlanta, colocou eletrodos personalizados no cérebro de um paciente apelidado de “JR”, que havia ficado “preso” por um acidente vascular cerebral (IEEE Trans. Reabilitar. Eng.. 8 198). O infeliz paciente possuía todas as suas habilidades cognitivas, mas era incapaz de se mover ou falar. Eventualmente, JR aprendeu a se comunicar controlando mentalmente um cursor de computador para soletrar palavras.

Agora, muitos pesquisadores e médicos usam um conjunto de eletrodos implantados, conhecido como “Utah Array” da Blackrock Neurotech. Este produto de silício personalizado é uma matriz de 100 peletrodos de silício do tipo (em uma configuração 10 × 10), espaçados de 400 µm em um substrato isolante de 4 × 4 mm - aproximadamente do tamanho de um grão de pimenta. Os eletrodos, de 0.5 a 1.5 mm de comprimento, têm pontas de platina ou óxido de irídio. Cerca de 30 pessoas em todo o mundo, que sofrem de diferentes sintomas de paralisia, foram equipadas com estes dispositivos. Por exemplo, em 2015 foram implantados quatro arrays em Nathan Copeland, que ficou paralisado do peito para baixo após um acidente de carro em 2004. Os implantes permitem que ele controle um computador, jogue videogame e controle um braço robótico, com seus pensamentos. No momento em que este artigo foi escrito, Copeland era o paciente com esse tipo de implante há mais tempo, mas as implicações verdadeiramente a longo prazo desta tecnologia invasiva não são totalmente compreendidas.

Reduzindo a invasividade

O problema com um eletrodo ou qualquer outro implante artificial no cérebro é que ele pode desencadear uma resposta imunológica, que inflama e deixa cicatrizes nos tecidos próximos. Isto é agravado pela incompatibilidade mecânica entre um eletrodo rígido e os tecidos moles do cérebro, que por sua vez também pode degradar o desempenho do eletrodo.

Encontrar materiais duráveis ​​e biocompatíveis com propriedades elétricas adequadas para eletrodos e substratos é um desafio para a física e a ciência dos materiais

Mas encontrar materiais duráveis ​​e biocompatíveis com propriedades elétricas adequadas para eletrodos e substratos é um desafio para a física e a ciência dos materiais. Candidatos promissores incluem polímeros condutores macios e flexíveis, bem como condutores elétricos extremamente finos, como nanotubos de carbono e nanofios de silício (para outra abordagem, veja o quadro abaixo).

Os investigadores também estão a trabalhar para reduzir os riscos cirúrgicos, adaptando as tecnologias médicas existentes. Os stents – minúsculos cilindros ocos – são comumente usados ​​para manter abertos vários tipos de vasos no corpo. Em um uso comum, eles mantêm as artérias coronárias abertas e são considerados minimamente invasivos. Empresa de neurotecnologia Synchron desenvolveu “stentrodes” (matriz de gravação de eletrodos de stent). Eles são eletrodos montados em um stent implantado permanentemente em um vaso sanguíneo no cérebro. Eles podem detectar sinais cerebrais e enviá-los sem fio para um computador. Em testes em humanos, os stentrodes permitiram que indivíduos paralisados ​​operassem computadores (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Usando uma abordagem diferente, a empresa norte-americana Neuralink anunciou em 2019 que havia desenvolvido um BCI que seria implantado rente ao crânio por um robô cirúrgico, que também colocaria 1024 ou mais eletrodos flexíveis no cérebro (J. Med. Res. Internet. 21 e16194). A Neuralink, que foi cofundada por Elon Musk, não publicou mais detalhes desde então, mas após a sua recente aprovação da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA para testes em humanos, mais informações poderão surgir. Seja qual for a forma, os BCIs baseados em eletrodos continuarão a ser importantes devido à sua alta resolução espacial e resposta rápida, mas abordagens não invasivas também estão se desenvolvendo rapidamente.

Fótons sondam o cérebro

No espectro eletromagnético, a luz infravermelha próxima (NIR), que vai de 700 a 1400 nm, pode atravessar o crânio e penetram no cérebro com centímetros de profundidade, sem causar danos, desde que a densidade de potência seja mantida em miliwatts por centímetro quadrado. Um método NIR não invasivo denominado “fotobiomodulação” mostrou que pode estimular o cérebro. Por exemplo, num ensaio clínico realizado em 2021, pacientes com demência foram repetidamente expostos a LEDs que emitem luz a 1060–1080 nm. Este grupo mostrou melhorias notáveis ​​na função cognitiva e no humor subjetivo em comparação com um grupo de controle (Doença de envelhecimento. 12 954). Pensa-se que a luz melhora a função celular ou reduz a inflamação, mas são necessárias mais pesquisas para estabelecer o mecanismo exato.

Um segundo método não invasivo, conhecido como “espectroscopia funcional no infravermelho próximo” (fNIRS), utiliza luz NIR para medir variações na luz absorvida pela hemoglobina no sangue que circula no cérebro. A técnica pode mapear a atividade cerebral porque a hemoglobina desoxigenada absorve a luz NIR de forma diferente da forma oxigenada, HbO₂. Neurônios ativos precisam de um fluxo aumentado de HbO₂-sangue enriquecido, possibilitando detectar a função cerebral. Dois comprimentos de onda são aplicados ao crânio, e uma medição de suas diferentes atenuações em locais específicos pode mostrar quais áreas estão ativas. O fNIRS tem sido usado na clínica, com a empresa norte-americana de neurotecnologia Kernel desenvolvendo uma versão de fone de ouvido vestível. Cobre o crânio com 52 módulos, cada um com fontes de laser emitindo em 690 nm e 850 nm e um detector (J. Biomed. Optar. 27 074710). Em 2021, o FDA aprovou o dispositivo para testar a resposta do cérebro a uma droga psicodélica.

Embora demore alguns segundos para o fluxo sanguíneo oxigenado se desenvolver – tornando o fNIRS muito lento para controlar um dispositivo externo – ele fornece uma resolução espacial mais alta e melhor relação sinal-ruído do que o EEG, o que significa que pode identificar a atividade cerebral com mais precisão. Um fone de ouvido fNIRS poderia medir a atividade cerebral mesmo em um sujeito em movimento livre, tornando possível mapear o cérebro e diagnosticar condições neurais sob diversas condições.

Respostas mais rápidas podem ser obtidas com outro método – conhecido como “sinal óptico relacionado a eventos” (EROS) – que usa luz infravermelha para medir mudanças nas propriedades ópticas do tecido cerebral cortical. A interação da luz com o tecido neural muda quando os neurônios estão ativos porque isso aumenta o espalhamento óptico, alongando os caminhos dos fótons que atravessam o cérebro e atrasando sua chegada ao detector.

Nos primeiros experimentos em seres humanos, a luz NIR aplicada através de fibras ópticas penetrou no crânio e foi detectada a uma curta distância, atrasada em 0.1 s ou menos após os neurônios terem sido excitados. Trabalhos posteriores foram limitados porque essas medições são tecnicamente exigentes, mas resultados recentes sugerem que o EROS combinado com o fNIRS poderia formar a base para BCIs não invasivos com boa resolução espacial e temporal.

O cérebro magnético

Ainda outro método não invasivo estabelecido para rastrear a atividade neural do cérebro é a “ressonância magnética funcional” (fMRI). A ressonância magnética padrão detecta o comportamento dos prótons na água e na gordura do corpo, dentro de um forte campo magnético, para obter imagens das estruturas corporais. fMRI em vez disso detecta sinais do fluxo sanguíneo no cérebro que, como mencionado, dependem do nível de oxigenação da hemoglobina. Assim como o fNIRS, isso permite que o fMRI rotule regiões de atividade neural, mas com uma resolução espacial de 1 mm em vez de 1 cm. O intervalo de segundos permite o mapeamento quase em tempo real, mas ainda é muito lento para o controle cerebral de dispositivos externos. A fMRI também requer uma instalação grande e cara com um ímã supercondutor.

Tempos de resposta mais rápidos vêm com a “magnetoencefalografia” (MEG) não invasiva, que rastreia a atividade neural detectando o femtotesla (10^-15 tesla) campos magnéticos que são gerados à medida que correntes iônicas fluem entre neurônios ativos. Esses campos são medidos por dispositivos sensíveis de interferência quântica supercondutora (SQUID) colocados perto do couro cabeludo, dentro de uma sala blindada para evitar interferência magnética. O MEG fornece uma resolução espacial de 1–2 mm e um tempo de resposta de milissegundos, mas requer um dispositivo volumoso com altos custos operacionais.

Um novo tipo de detector, o “magnetômetro com bomba óptica” (OPM), melhora o MEG medindo o campo magnético do cérebro à temperatura ambiente. OPM usa uma pequena célula preenchida com vapor de átomo alcalino. Um diodo laser sintonizado para uma transição quântica específica bombeia opticamente o vapor, que alinha os momentos magnéticos atômicos. Essa magnetização interage com o campo magnético do cérebro para alterar a opacidade do vapor determinada por um detector, o que permite medir o campo magnético.

A física quântica dá um impulso aos scanners MEG com detecção cerebral

No início deste ano, a empresa sediada no Reino Unido Cerca Magnética ganhou um prêmio em inovação quântica pelo desenvolvimento de seu Scanner cerebral vestível OPM-MEG. Isso compreende 50 unidades do tamanho de blocos de LEGO montadas em um capacete de cabeça inteira para cobrir o cérebro. O protótipo vestível OPM-MEG BCI permite o diagnóstico neural conforme o sujeito se move. Com suas altas resoluções espaciais e temporais, ele poderia controlar dispositivos externos.

Ouvindo o cérebro

A tecnologia de ultrassom é amplamente utilizada como um método portátil não invasivo para obter imagens de estruturas corporais, incluindo glóbulos vermelhos, pois refletem ondas sonoras de alta frequência. Na última década, a tecnologia desenvolveu-se a tal ponto que o “ultrassom funcional rápido” (fUS) pode usar medições Doppler do fluxo sanguíneo do cérebro para identificar neurônios ativos. No fUS, as sondas geram ondas planas ultrassônicas e coletam dados em centenas de canais. Um computador então focaliza sinteticamente as ondas e analisa os dados para produzir rapidamente imagens de alta resolução da função cerebral. Estudos em primatas não humanos mostram que o fUS operando através de uma porta minimamente invasiva no crânio poderia apoiar um BCI que rastreia os impulsos neurais que representam o movimento corporal.Neuroscience 474 110).

O ultrassom também serve na estimulação ultrassonográfica transcraniana (TUS), um método para modular o comportamento neural que pode ser direcionado a alguns milímetros cúbicos no cérebro. Após extensos estudos em animais, alguns ensaios em humanos sugerem que o UST pode tratar doenças neurológicas ou problemas psiquiátricos, como dor e depressão.

O futuro dos BCIs não invasivos

Complementando e talvez um dia substituindo os implantes, outros métodos físicos podem acessar o cérebro com o mínimo de invasividade, permitindo um uso médico mais seguro, mais barato e mais amplo dos BCIs. Andrew Jackson, um físico que se tornou neurocientista na Universidade de Newcastle, no Reino Unido, diz que, quando se trata de registrar o cérebro, a tecnologia mais interessante no momento é o OPM-MEG vestível. “É uma física interessante também!” ele acrescenta, observando o valor do ultrassom para estimulação cerebral. Jackson alerta, porém, que nenhuma dessas tecnologias não invasivas ainda possui a resolução espacial que você pode obter com implantes. Ainda há muito a ser feito para uso clínico, e talvez além dele.

Se os BCIs não invasivos eliminassem o risco cirúrgico, indivíduos saudáveis ​​poderiam ser motivados a usá-los para aumento mental real ou percebido. O famoso neurocientista Kristof Koch relatou como seria “incrível” ter um BCI seguro que ligasse cérebros a computadores para que as pessoas pudessem baixar informações diretamente em seus cérebros.

Em 2021, start-up em São Francisco Portal da Mente arrecadou US$ 5 milhões para desenvolver uma bandana para controle mental de um jogo de realidade virtual. Ele usa tecnologia proprietária, talvez um método NIR rápido. Em outra aplicação, os dispositivos de estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) estão prontamente disponíveis a preços modestos. Eles aplicam correntes elétricas de miliamperes ao crânio que supostamente melhoram a cognição.

Vendo a ascensão da neurotecnologia de consumo, os neuroeticistas apontam para os danos que poderiam advir sem uma supervisão e regulamentação eficazes – que também precisariam de considerar questões como a privacidade e o controlo mental. Ao desenvolver BCIs não invasivos, os investigadores estão a fazer avançar enormemente a investigação e o tratamento do cérebro, ajudando a restaurar a independência de indivíduos com deficiência grave. Ao mesmo tempo, os investigadores devem estar conscientes dos muitos dilemas éticos que estes dispositivos levantam, para além do laboratório e da clínica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/