Avanço em interface cérebro-computador permite que pessoas com paralisia digitem com maior rapidez e precisão

Um artigo sobre uma pesquisa clínica liderada por estudiosos da Universidade Stanford demonstrou que uma conexão cérebro-computador pode permitir que pessoas com paralisia digitem diretamente, por controle cerebral, alcançando os maiores níveis de precisão e velocidade relatados até hoje.

O artigo aborda  três participantes do estudo com grave fraqueza nos membros - em dois a causa era a esclerose lateral amiotrófica (ELA), também chamada de doença de Lou Gehrig, e no terceiro se devia a dano na medula espinhal. Cada um deles teve um ou dois conjuntos de eletrodos, do tamanho de uma aspirina, colocados em seus cérebros para registrar sinais do córtex motor, região que controla movimentos musculares. Esses sinais foram transmitidos a um computador através de um cabo e traduzidos por algoritmos em comandos de apontar-e-clicar para guiar um cursor a caracteres em um teclado na tela.

Cada participante, após o mínimo de treinamento, dominou a técnica o suficiente para superar os resultados de qualquer teste anterior de interfaces cérebro-computador (BCIs, na sigla em inglês) para melhorar a comunicação de pessoas com deficiências de movimentos similares. Notavelmente, os participantes do estudo conseguiram esses níveis de digitação sem a assistência automática de conclusão de palavras comum nos teclados eletrônicos de hoje em dia, o que provavelmente elevaria a sua performance.

Um dos participantes, Dennis Degray - de Menlo Park, na Califórnia - conseguiu digitar 39 caracteres corretos por minuto, o que equivale a aproximadamente oito palavras em inglês por minuto.

"Um importante marco"

A abordagem de apontar-e-clicar poderia ser aplicada a uma variedade de dispositivos de computação, inclusive smartphones e tablets, sem modificações substanciais, dizem os pesquisadores de Stanford.

“O sucesso do nosso estudo assinala um importante marco no caminho para melhorar a qualidade de vida das pessoas com paralisia”, disse Jaimie Henderson, professor de neurocirurgia que realizou dois dos três procedimentos de implantação dos aparelhos. O terceiro aconteceu no Hospital Geral de Massachusetts.

Henderson e Krishna Shenoy, professor de engenharia elétrica, são co-autores sêniors do estudo, que foi publicado na iLife em 21 de fevereiro. Os autores principais são o antigo pós-doutorando Chethan Pandarinath, e o pós-doutorando Paul Nuyujukian, - ambos passaram mais de dois anos trabalhando no projeto em Stanford.  

“O estudo relata maior velocidade de precisão, por um fator de três, em relação ao que havia sido mostrado antes”, disse Shenoy, pesquisador do Instituto de Medicina Howard Hughes que tem buscado melhorar BCIs por 15 anos e trabalhando com Henderson desde 2009. “Estamos nos aproximando da velocidade na qual você digita no seu celular.”

“O desempenho é realmente empolgante”, disse Pandarinath, que agora tem uma nomeação conjunta na Universidade Emory e no Instituto de Tecnologia da Geórgia como professor assistente de engenharia biomédica. “Estamos conquistando níveis de comunicação os quais muitas pessoas com paralisia nos braços e mãos achariam úteis. Esse é um passo crítico para fazer aparelhos que possam ser adequados para o uso no mundo real.”

O laboratório de Shenoy foi pioneiro nos algoritmos usados para decodificar as voltas complexas de sinais elétricos disparados pelas células nervosas no córtex motor, o centro de comando do cérebro para movimento, e convertê-los, em tempo real, em ações comuns executadas pela medula espinhal e músculos.

“O uso desses algoritmos de alta performance de BCI em testes clínicos em humanos demonstra o potencial desse tipo de tecnologia restaurar a comunicação para pessoas com paralisia”, disse Nuyujukian.

Acidente que muda a vida

Milhões de pessoas com paralisia vivem nos Estados Unidos. Algumas vezes, a sua paralisia acontece gradualmente, como é o caso da ELA. Outras vezes, ela chega repentinamente, como aconteceu como Degray.

Hoje com 64 anos, Degray se tornou quadriplégico em 10 de outubro de 2001, quando caiu e teve uma lesão na medula espinhal que mudou sua vida. “Eu estava levando o lixo para fora, na chuva”, ele disse. Segurando o saco de lixo em uma mão e a lata em outro, escorregou na grama e caiu sobre seu queixo. O impacto poupou seu cérebro, mas lesionou gravemente sua coluna vertebral, cortando toda a comunicação entre seu cérebro e a musculatura da cabeça para baixo.

“Não há nada acontecendo abaixo da clavícula”, ele disse.

Degray recebeu dois implantes nas mãos de Henderson em agosto de 2016. Nas várias sessões de pesquisa seguintes, ele e os outros dois participantes do estudo, os quais passaram por cirurgias similares, foram encorajados a experimentar ou visualizar padrões de movimentos de braço, mão e dedo desejados. Sinais neurais resultantes do córtex motor foram extraídos eletronicamente por gravadores embutidos, sendo transmitidos para um computador e traduzidos pelos algoritmos de Shenoy em comandos, dirigindo um cursor em teclado na tela para os caracteres específicos do participante.

Os pesquisadores mediram as velocidades nas quais os pacientes foram capazes de copiar corretamente frases e sentenças - por exemplo, “A rápida raposa marrom pulou sobre o cachorro preguiçoso.” Os níveis médios foram de 7,8 palavras por minutos para Dregay e 6,3 e 2,7 palavras por minutos, respectivamente, para os outros dois participantes.

Um pequeno chip de silicone

O sistema de pesquisa utilizado no estudo, uma interface intracortical de cérebro-computador chamada de BrainGate Neural Interface System, representa a mais nova geração de BCIs. As antigas gerações primeiramente pegavam sinais através de terminais elétricos colocados no couro cabeludo, depois cirurgicamente posicionados na superfície do cérebro, abaixo do crânio.

Um BCI intracortical utiliza um pequeno chip de silicone, com pouco mais de um sexto de uma polegada quadrada, do qual saem 100 eletrodos que penetram o cérebro na espessura de uma moeda de 25 centavos e chegam na atividade elétrica de células nervosas individuais no córtex motor.

Henderson compara a melhora da resolução de detecção neural resultante, em relação às gerações mais antigas de BCIs, a passar a distribuir medidores de aplausos a membros individuais de um público de estúdio ao invés de apenas colocá-los no teto, “para que você possa dizer quão forte e rápido cada pessoa está batendo palmas.”

Shenoy disse que chegará o dia - aproximadamente daqui 10 anos, ele previu - em que um sistema totalmente sem fio poderá ser usado sem a assistência de um cuidador, todo o dia e  não terá nenhum impacto cosmético.

“Eu não vejo desafio intransponível algum”, ele disse. “Conhecemos os passos que devemos dar para chegar lá.”

Degray, que continua a participar ativamente na pesquisa, já sabia digitar antes de seu acidente, mas não era um especialista. Ele descreveu sua recentemente descoberta destreza na linguagem de um aficionado por video games.

“Este é um dos video games mais legais que já pude jogar”, ele disse “E eu nem preciso colocar uma moeda nele.”

Os resultados do estudo são o ponto alto de uma colaboração de longa duração entre Henderson e Shenoy e um consórcio multi-institucional chamado BrainGate. Leigh Hochberg, neurologista e neurocientista no Hospital Geral de Massachusetts, na Universidade Brown  e no Centro de Pesquisa em Reabilitação e Desenvolvimento para Neurorestauração e Neurotecnologia em Province, Rhode Island, dirige o teste clínico piloto dos sistema BrainGate e é co-autor do estudo

“Essa incrível colaboração continua a abrir novos caminhos para desenvolver interfaces neurais poderosas, intuitivas e flexíveis, as quais esperamos que, um dia, recuperem comunicação, mobilidade e independência para pessoas com doenças ou lesões neurológicas”, disse Hochberg.



Stanford University