Os últimos avanços em interfaces cérebro-máquina apresentam ultrassom funcional (fUS), uma técnica não invasiva para leitura da atividade cerebral. Esta inovação tem mostrado resultados promissores no controle de dispositivos com atraso mínimo e sem necessidade de recalibração frequente. Crédito: SciTechDaily.com
O ultrassom funcional (fUS) marca um salto significativo na tecnologia de interface cérebro-máquina, oferecendo um método menos invasivo para controle preciso de dispositivos eletrônicos por meio da interpretação da atividade cerebral.
Interfaces cérebro-máquina (IMCs) são dispositivos que podem ler a atividade cerebral e traduzir essa atividade para controlar um dispositivo eletrônico como um braço protético ou um cursor de computador. Eles prometem permitir que pessoas com paralisia movam dispositivos protéticos com seus pensamentos.
Muitos IMCs exigem cirurgias invasivas para implantar eletrodos no cérebro a fim de ler a atividade neural. No entanto, em 2021, pesquisadores do Caltech desenvolveram uma forma de ler a atividade cerebral usando ultrassom funcional (fUS), uma técnica muito menos invasiva.
Ultrassom funcional: uma virada de jogo para IMCs
Agora, um novo estudo é uma prova de conceito de que a tecnologia fUS pode ser a base para um IMC “online” – um que lê a actividade cerebral, decifra o seu significado com descodificadores programados com aprendizado de máquinae consequentemente controla um computador que pode prever movimentos com precisão com um tempo de atraso mínimo.
O ultrassom é usado para criar imagens bidimensionais do cérebro, que podem então ser empilhadas para criar uma imagem 3D. Crédito: Cortesia de W. Griggs
O estudo foi conduzido nos laboratórios Caltech de Richard Andersen, professor de neurociência James G. Boswell e diretor e presidente de liderança do Centro de interface cérebro-máquina T&C Chen; e Mikhail Shapiro, Professor Max Delbrück de Engenharia Química e Engenharia Médica e Investigador do Howard Hughes Medical Institute. O trabalho foi uma colaboração com o laboratório de Mickael Tanter, diretor de física para medicina do INSERM em Paris, França.
Vantagens do ultrassom funcional
“O ultrassom funcional é uma modalidade completamente nova a ser adicionada à caixa de ferramentas de interfaces cérebro-máquina que podem ajudar pessoas com paralisia”, diz Andersen. “Ele oferece opções atraentes de ser menos invasivo que os implantes cerebrais e não requer recalibração constante. Esta tecnologia foi desenvolvida como um esforço verdadeiramente colaborativo que não poderia ser realizado apenas por um laboratório.”
“Em geral, todas as ferramentas para medir a atividade cerebral têm vantagens e desvantagens”, diz Sumner Norman, ex-pesquisador sênior de pós-doutorado da Caltech e coautor do estudo. “Embora os eletrodos possam medir com muita precisão a atividade de neurônios individuais, eles requerem implantação no próprio cérebro e são difíceis de escalar para mais do que algumas pequenas regiões cerebrais. Técnicas não invasivas também apresentam compensações. Ressonância magnética funcional (ressonância magnética funcional) fornece acesso a todo o cérebro, mas é restrito por sensibilidade e resolução limitadas. Métodos portáteis, como a eletroencefalografia (EEG), são prejudicados pela má qualidade do sinal e pela incapacidade de localizar a função cerebral profunda.”
A vasculatura do córtex parietal posterior medida por neuroimagem ultrassonográfica funcional. Crédito: Cortesia de W. Griggs
Imagem de ultrassom explicada
A imagem por ultrassom funciona emitindo pulsos de som de alta frequência e medindo como essas vibrações sonoras ecoam por uma substância, como vários tecidos do corpo humano. As ondas sonoras viajam em velocidades diferentes através desses tipos de tecidos e refletem nas fronteiras entre eles. Esta técnica é comumente usada para tirar imagens de um feto no uteroe para outros diagnósticos por imagem.
Como o crânio em si não é permeável às ondas sonoras, o uso do ultrassom para imagens cerebrais requer a instalação de uma “janela” transparente no crânio. “É importante ressaltar que a tecnologia de ultrassom não precisa ser implantada no próprio cérebro”, diz Whitney Griggs (PhD ’23), coautor do estudo. “Isso reduz significativamente a chance de infecção e deixa o tecido cerebral e sua dura protetora perfeitamente intactos”.
“À medida que a atividade dos neurônios muda, também muda o uso de recursos metabólicos como o oxigênio”, diz Norman. “Esses recursos são reabastecidos através da corrente sanguínea, que é a chave para o ultrassom funcional.” Neste estudo, os pesquisadores usaram ultrassom para medir mudanças no fluxo sanguíneo em regiões específicas do cérebro. Da mesma forma que o som da sirene de uma ambulância muda de tom à medida que se aproxima e depois se afasta de você, os glóbulos vermelhos aumentam o tom das ondas de ultrassom refletidas à medida que se aproximam da fonte e diminuem o tom à medida que se afastam. . Medir este fenómeno do efeito Doppler permitiu aos investigadores registar pequenas alterações no fluxo sanguíneo do cérebro até regiões espaciais com apenas 100 micrómetros de largura, aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano. Isto permitiu-lhes medir simultaneamente a actividade de pequenas populações neurais, algumas tão pequenas como apenas 60 neurónios, espalhadas por todo o cérebro.
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Aplicação inovadora em primatas não humanos
Os pesquisadores usaram ultrassom funcional para medir a atividade cerebral do córtex parietal posterior (PPC) de primatas não humanos, região que rege o planejamento dos movimentos e contribui para sua execução. A região tem sido estudada pelo laboratório Andersen há décadas usando outras técnicas.
Os animais aprenderam duas tarefas, exigindo que eles planejassem mover a mão para direcionar o cursor em uma tela ou mover os olhos para olhar para uma parte específica da tela. Eles só precisavam pensar sobre a execução da tarefa, na verdade não movem os olhos ou as mãos, conforme o IMC lê a atividade de planejamento em seu PPC.
“Lembro-me de como foi impressionante quando esse tipo de decodificação preditiva funcionou com eletrodos há duas décadas, e agora é incrível vê-la funcionar com um método muito menos invasivo como o ultrassom”, diz Shapiro.
Resultados promissores e planos futuros
Os dados de ultrassom foram enviados em tempo real para um decodificador (previamente treinado para decodificar o significado desses dados usando aprendizado de máquina) e, posteriormente, geraram sinais de controle para mover um cursor para onde o animal pretendia que fosse. O IMC foi capaz de fazer isso com sucesso em oito alvos radiais com erros médios inferiores a 40 graus.
“É significativo que a técnica não exija que o IMC seja recalibrado todos os dias, ao contrário de outros IMC”, diz Griggs. “Como analogia, imagine a necessidade de recalibrar o mouse do computador por até 15 minutos todos os dias antes de usá-lo.”
Em seguida, a equipe planeja estudar o desempenho dos IMCs baseados na tecnologia de ultrassom em humanos e desenvolver ainda mais a tecnologia fUS para permitir imagens tridimensionais para melhorar precisão.
O artigo é intitulado “Decodificando planos motores usando uma interface ultrassônica cérebro-máquina de circuito fechado” e foi publicado na revista Neurociência da Natureza em 30 de novembro.
Referência: “Decodificando planos motores usando uma interface ultrassônica cérebro-máquina de circuito fechado” por Whitney S. Griggs, Sumner L. Norman, Thomas Deffieux, Florian Segura, Bruno-Félix Osmanski, Geeling Chau, Vasileios Christopoulos, Charles Liu, Mickael Tanter , Mikhail G. Shapiro e Richard A. Andersen, 30 de novembro de 2023, Neurociência da Natureza.
DOI: 10.1038/s41593-023-01500-7
Whitney Griggs (PhD ’23), UCLA-O estudante de MD/PhD da Caltech e Sumner Norman, ex-bolsista de pós-doutorado agora da Forest Neurotech, são os primeiros autores do estudo. Além de Griggs, Norman e Andersen, os co-autores do Caltech são os estudantes de pós-graduação Geeling Chau e Vasileios Christopoulos, associado visitante em biologia e engenharia biológica. Outros co-autores são Charles Liu de USC; e Mickael Tanter, Thomas Deffieux e Florian Segura do INSERM em Paris, França. O financiamento foi fornecido pelo National Eye Institute, uma bolsa Josephine de Karman, o UCLA-Caltech MSTP, a Fundação Della Martin, o Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame, o Instituto Nacional de Saúdeo Centro de Interface Cérebro-Máquina T&C Chen e a Fundação Boswell.
