Liderança do Caltech no Avanço da Interface Cérebro-Máquina por Ultrassom

O ultrassom funcional (fUS) representa um avanço significativo na tecnologia de interface cérebro-máquina, proporcionando uma forma menos invasiva de controlar equipamentos electrónicos precisamente através da interpretação da atividade cerebral.

Os IMC são dispositivos que podem analisar a atividade cerebral e interpretá-la para operar um dispositivo eletrónico, como um braço protésico ou um cursor de computador, permitindo às pessoas com paralisia mover dispositivos protésicos com a mente.

Muitos BMIs necessitam de operações invasivas para implantar eléctrodos no interior do cérebro para interpretar a atividade neural; no entanto, os investigadores do Caltech desenvolveram um método para monitorizar a atividade cerebral utilizando o ultrassom funcional (fUS), uma tecnologia muito menos invasiva, em 2021.

Ultrassom Funcional: Um Divisor de Águas para os IMCs

Um novo estudo prova que a tecnologia fUS pode ser a base para um IMC “online” – um IMC que interpreta a atividade cerebral, descobre o seu significado com descodificadores programados para aprendizagem automática e governa um computador que pode prever com precisão o movimento com muito pouco tempo de atraso.

A investigação foi realizada nos laboratórios de Richard Andersen, da Caltech, James G. Boswell, Professor de Neurociências e diretor e presidente do Centro de Interface Cérebro-Máquina T&C Chen, e Mikhail Shapiro, Professor Max Delbrück de Engenharia Química e Engenharia Médica e Investigador do Instituto Médico Howard Hughes, bem como no laboratório de Mickael Tanter no INSERM em Paris, França.

Vantagens do Ultrassom Funcional

Andersen afirma que o ultrassom funcional representa uma nova adição ao conjunto de ferramentas para interfaces cérebro-máquina concebidas para ajudar indivíduos com paralisia. Destaca o seu interesse por ser menos invasivo do que os implantes cerebrais e por não necessitar de recalibração contínua. Além disso, salienta que o desenvolvimento desta tecnologia resultou de um esforço de colaboração, sublinhando a necessidade de vários laboratórios trabalharem em conjunto.

Sumner Norman, antigo investigador associado sénior de pós-doutoramento no Caltech e coautor do estudo, refere que as ferramentas para medir a atividade cerebral têm vantagens e desvantagens. Embora os eléctrodos ofereçam medições precisas da atividade de um único neurónio, a sua necessidade de implante no cérebro limita a escalabilidade a algumas pequenas regiões cerebrais. Por outro lado, as técnicas não invasivas, como a ressonância magnética funcional (fMRI), permitem o acesso a todo o cérebro, mas enfrentam limitações em termos de sensibilidade e resolução. A fraca qualidade do sinal e a incapacidade de identificar as funções cerebrais profundas dificultam os métodos portáteis como a eletroencefalografia (EEG).

Explicação da Imagiologia por Ultra-sons

A imagiologia por ultra-sons funciona através do envio de impulsos sonoros de alta frequência e da medição da forma como estas vibrações sonoras se repercutem numa substância, como os diferentes tecidos do corpo humano. As velocidades variáveis das ondas sonoras através destes tecidos e a sua reflexão nos limites permitem a criação de imagens. Este método é frequentemente utilizado para captar imagens de um feto em desenvolvimento no útero e para vários fins de diagnóstico por imagem.

Devido à impermeabilidade do crânio às ondas sonoras, a incorporação de ultra-sons para a obtenção de imagens do cérebro exige a instalação de uma “janela” transparente no crânio. Whitney Griggs (PhD ’23), coautora do estudo, sublinha que a tecnologia de ultra-sons não requer a implantação direta no cérebro. Isto reduz substancialmente o risco de infeção e mantém o tecido cerebral e a sua dura-máter protetora completamente intactos.

Norman explica que, à medida que os neurónios alteram a sua atividade, a utilização de recursos metabólicos como o oxigénio também se altera. O ultrassom funcional depende da corrente sanguínea para repor os recursos essenciais. Este estudo utilizou os ultra-sons para monitorizar as variações do fluxo sanguíneo em áreas específicas do cérebro. À semelhança da forma como o tom da sirene de uma ambulância se altera com a proximidade, os glóbulos vermelhos modificam o tom das ondas de ultra-sons reflectidas à medida que se aproximam e se afastam da fonte. A observação deste fenómeno de efeito Doppler permitiu aos investigadores captar alterações mínimas no fluxo sanguíneo do cérebro em regiões espaciais tão estreitas como 100 micrómetros, aproximadamente a largura de um cabelo humano. Esta capacidade permitiu a monitorização simultânea da atividade de pequenas populações neurais, algumas constituídas por apenas 60 neurónios, distribuídas por todo o cérebro.

Aplicação Inovadora em Primatas não Humanos

Os investigadores utilizaram ultra-sons funcionais para medir a atividade cerebral no córtex parietal posterior (PPC) de primatas não humanos. Esta região supervisiona o planeamento e a execução de movimentos e tem sido objeto de estudo no laboratório Andersen há muitos anos, com recurso a várias técnicas.

Os animais foram treinados em duas tarefas: uma tarefa envolvia o planeamento de movimentos da mão para guiar um cursor num ecrã, enquanto a outra tarefa envolvia o planeamento de movimentos oculares para focar uma parte específica do ecrã. Na execução destas tarefas, os animais só precisavam de contemplar as acções sem mover fisicamente os olhos ou as mãos. A interface cérebro-máquina (BMI) interpretou a atividade de planeamento no córtex parietal posterior (PPC).

Shapiro lembra-se de ter expressado admiração pelo sucesso da descodificação preditiva com eléctrodos há duas décadas e considera notável testemunhar a sua eficácia com um método consideravelmente menos invasivo como o ultrassom.

Resultados Promissores e Planos Futuros

A informação dos ultra-sons em tempo real foi transmitida a um descodificador, que tinha sido treinado através de aprendizagem automática para interpretar o significado dos dados. O descodificador produziu então sinais de controlo para guiar um cursor para o destino pretendido especificado pelo animal. A interface cérebro-máquina (IMC) conseguiu este objetivo com sucesso para oito alvos radiais, com um erro médio de menos de 40 graus.

Griggs salienta o significado da técnica, que não necessita de recalibração diária da interface cérebro-máquina (IMC), ao contrário de outras IMC. Para ilustrar, faz uma analogia com o inconveniente de recalibrar um rato de computador durante 15 minutos por dia antes de o utilizar.

O próximo passo da equipa consiste em examinar o desempenho das interfaces cérebro-máquina (IMC) utilizando a tecnologia de ultra-sons em seres humanos. Além disso, pretendem melhorar a tecnologia de ultra-sons funcionais (fUS) para facilitar a obtenção de imagens tridimensionais, melhorando assim a precisão.

O artigo, “Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain-machine interface”, foi publicado na revista Nature Neuroscience em 30 de novembro.

Leia o Artigo Original: SciTechDaily

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