Em um passo importante em direção a um sistema de interface cérebro-computador intracortical totalmente implantável, os pesquisadores BrainGate demonstraram o primeiro uso humano de um transmissor sem fio capaz de fornecer sinais neurais de alta largura de banda.

PROVIDENCE, RI [Brown University e Providence Veterans Affairs Medical Center] – Interfaces cérebro-computador (BCIs) são uma tecnologia assistiva emergente, permitindo que pessoas com paralisia digitem em telas de computador ou manipulem próteses robóticas apenas pensando em mover seus próprios corpos. Durante anos, os BCIs investigacionais usados ​​em testes clínicos exigiram cabos para conectar a matriz de detecção no cérebro a computadores que decodificam os sinais e os usam para acionar dispositivos externos.

Agora, pela primeira vez, os participantes do ensaio clínico BrainGate com tetraplegia demonstraram o uso de um BCI sem fio intracortical com um transmissor sem fio externo. O sistema é capaz de transmitir sinais cerebrais com resolução de neurônio único e com fidelidade de banda larga completa sem amarrar fisicamente o usuário a um sistema de decodificação. Os cabos tradicionais são substituídos por um pequeno transmissor de cerca de 2 polegadas em sua maior dimensão e pesando um pouco mais de 1,5 onças. A unidade fica no topo da cabeça do usuário e se conecta a uma matriz de eletrodos dentro do córtex motor do cérebro usando a mesma porta usada por sistemas com fio.

Para um estudo publicado no IEEE Transactions on Biomedical Engineering , dois participantes de ensaios clínicos com paralisia usaram o sistema BrainGate com um transmissor sem fio para apontar, clicar e digitar em um computador tablet padrão. O estudo mostrou que o sistema sem fio transmitia sinais com praticamente a mesma fidelidade dos sistemas com fio, e os participantes alcançaram precisão de apontar e clicar e velocidades de digitação semelhantes.

“Demonstramos que este sistema sem fio é funcionalmente equivalente aos sistemas com fio que têm sido o padrão ouro no desempenho da BCI por anos”, disse John Simeral, professor assistente de engenharia (pesquisa) da Brown University, membro do BrainGate consórcio de pesquisa e autor principal do estudo. “Os sinais são gravados e transmitidos com fidelidade apropriadamente semelhante, o que significa que podemos usar os mesmos algoritmos de decodificação que usamos com equipamentos com fio. A única diferença é que as pessoas não precisam mais estar fisicamente presas ao nosso equipamento, o que abre novas possibilidades em termos de como o sistema pode ser usado. ”

Os pesquisadores dizem que o estudo representa um passo inicial, mas importante, em direção a um objetivo principal na pesquisa do BCI: um sistema intracortical totalmente implantável que ajuda a restaurar a independência de pessoas que perderam a capacidade de se mover. Embora dispositivos sem fio com largura de banda inferior tenham sido relatados anteriormente, este é o primeiro dispositivo a transmitir todo o espectro de sinais registrados por um sensor intracortical. Esse sinal de banda larga sem fio permite a pesquisa clínica e a neurociência humana básica que é muito mais difícil de realizar com BCIs com fio.

Com este sistema, somos capazes de observar a atividade cerebral, em casa, por longos períodos de uma forma que antes era quase impossível. 

O novo estudo demonstrou algumas dessas novas possibilidades. Os participantes do ensaio – um homem de 35 anos e um homem de 63 anos, ambos paralisados ​​por lesões na medula espinhal – puderam usar o sistema em suas casas, ao contrário do ambiente de laboratório onde a maioria das pesquisas BCI ocorre. Livre de cabos, os participantes puderam usar o BCI continuamente por até 24 horas, dando aos pesquisadores dados de longa duração, inclusive enquanto os participantes dormiam.

“Queremos entender como os sinais neurais evoluem com o tempo”, disse Leigh Hochberg, professor de engenharia da Brown, pesquisador do Instituto Carney de Brown para Ciência do Cérebro e líder do ensaio clínico BrainGate. “Com este sistema, somos capazes de observar a atividade cerebral, em casa, por longos períodos de uma forma que antes era quase impossível. Isso nos ajudará a projetar algoritmos de decodificação que fornecem a restauração contínua, intuitiva e confiável da comunicação e mobilidade para pessoas com paralisia. ”

O dispositivo usado no estudo foi desenvolvido pela primeira vez em Brown, no laboratório de Arto Nurmikko, professor da Escola de Engenharia de Brown. Chamado de Brown Wireless Device (BWD), ele foi projetado para transmitir sinais de alta fidelidade enquanto consome o mínimo de energia. No estudo atual, dois dispositivos usados ​​juntos gravaram sinais neurais a 48 megabits por segundo de 200 eletrodos com uma bateria de mais de 36 horas.

Embora o BWD tenha sido usado com sucesso por vários anos na pesquisa básica da neurociência, testes adicionais e permissão regulatória foram necessários antes de usar o sistema no estudo BrainGate. Nurmikko diz que o passo para o uso humano marca um momento chave no desenvolvimento da tecnologia BCI.

“Tenho o privilégio de fazer parte de uma equipe que está expandindo as fronteiras das interfaces cérebro-máquina para uso humano”, disse Nurmikko. “É importante ressaltar que a tecnologia sem fio descrita em nosso artigo nos ajudou a obter uma visão crucial para o caminho à frente em busca de próxima geração de neurotecnologias, como interfaces eletrônicas sem fio de alta densidade totalmente implantadas para o cérebro. ”

O novo estudo marca outro avanço significativo dos pesquisadores do consórcio BrainGate, um grupo interdisciplinar de pesquisadores das universidades Brown, Stanford e Case Western Reserve, bem como do Providence Veterans Affairs Medical Center e do Massachusetts General Hospital. Em 2012, a equipe publicou uma pesquisa marcante em que os participantes de ensaios clínicos puderam, pela primeira vez, operar próteses robóticas multidimensionais usando um BCI. Esse trabalho foi seguido por um fluxo constante de refinamentos do sistema, bem como novos avanços clínicos que permitiram às pessoas digitar em computadores , usar aplicativos de tablet e até mesmo mover seus próprios membros paralisados.

“A evolução dos BCIs intracorticais, de exigir um cabo de aço para, em vez disso, usar um transmissor sem fio em miniatura é um grande passo em direção ao uso funcional de interfaces neurais de alto desempenho totalmente implantadas”, disse a coautora do estudo Sharlene Flesher, que era pós-doutoranda em Stanford e agora é engenheiro de hardware na Apple. “À medida que o campo avança para a redução da largura de banda transmitida, preservando a precisão do controle do dispositivo auxiliar, este estudo pode ser um dos poucos que captura toda a amplitude dos sinais corticais por longos períodos de tempo, incluindo durante o uso prático do BCI.”

A nova tecnologia sem fio já está pagando dividendos de maneiras inesperadas, dizem os pesquisadores. Como os participantes podem usar o dispositivo sem fio em suas casas sem um técnico disponível para manter a conexão com fio, a equipe BrainGate pôde continuar seu trabalho durante a pandemia de COVID-19.

“Em março de 2020, ficou claro que não poderíamos visitar as casas dos participantes da pesquisa”, disse Hochberg, que também é neurologista de cuidados intensivos no Massachusetts General Hospital e diretor do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Reabilitação VA para Neurorestabelecimento e Neurotecnologia . “Mas, ao treinar os cuidadores sobre como estabelecer a conexão sem fio, um participante do teste foi capaz de usar o BCI sem que membros de nossa equipe estivessem fisicamente presentes. Portanto, não apenas fomos capazes de continuar nossa pesquisa, essa tecnologia nos permitiu continuar com a largura de banda total e a fidelidade que tínhamos antes. ”

Simeral observou que, “Várias empresas entraram maravilhosamente no campo da BCI e algumas já demonstraram o uso humano de sistemas sem fio de baixa largura de banda, incluindo alguns que estão totalmente implantados. Neste relatório, estamos entusiasmados por ter usado um sistema sem fio de alta largura de banda que avança os recursos científicos e clínicos para sistemas futuros. ”

Brown tem um acordo de licenciamento com a Blackrock Microsystems para disponibilizar o dispositivo a pesquisadores da neurociência em todo o mundo. A equipe BrainGate planeja continuar a usar o dispositivo em testes clínicos em andamento.

Outros autores desta última pesquisa foram Thomas Hosman, Jad Saab, Marco Vilela, Brian Franco, Jessica Kelemen, David Brandman, John Ciancibello, Paymon Rezaii, Emad Eskandar, David Rosler, Krishna Shenoy e Jaimie Henderson.

O trabalho foi apoiado em parte pela NIH BRAIN Initiative – NINDS (UH2NS095548), o Departamento de Assuntos de Veteranos (N9228C, N2864C, A2295R, B6453R, P1155R); NIH-NIDCD (R01DC009899, ​​R01DC014034); NIH-NIBIB (R01EB007401); o Comitê Executivo de Pesquisa (ECOR) do Hospital Geral de Massachusetts; MGH-Deane Institute; DARPA REPAIR; Instituto de Neurociências Wu Tsai em Stanford; Larry e Pamela Garlick; Samuel e Betsy Reeves; o Howard Hughes Medical Institute da Stanford University e Conquer Paralysis Now (004698).

Divulgação: Arto Nurmikko é um inventor do dispositivo neural sem fio, Patente dos EUA nº 10433754. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente a opinião oficial do NIH, do Departamento de Assuntos de Veteranos ou do Governo dos Estados Unidos.

Fonte: Carney Institute