Diga-me quem é o seu avatar…
No final do ano passado, em Long Beach, Califórnia, foram realizadas as próximas finais da competição de engenharia Avatar XPrize, durante a qual competiram quase duas dezenas de equipes. As tarefas não eram fáceis: controlar estruturas eletromecânicas complexas por meio de canais de controle remoto, era necessário ativar o interruptor de parede mais comum (sem brincadeira – para um robô controlado remotamente é um desafio considerável), superar uma pista de obstáculos, usar um perfurador conforme pretendido, realizar certas manipulações com um recipiente, etc. O principal objetivo da competição não era tanto a execução bem-sucedida dos comandos do operador pelo robô-avatar, mas a simplicidade e facilidade de dominar esta máquina por uma pessoa sentada ao alavancas de sua interface – e o termo “alavancas” é usado aqui, como será mostrado um pouco mais tarde, não por causa de uma palavra vermelha.
Um robô avatar autopropulsado e controlado remotamente também pode ser visto como um cérebro complexo (e, infelizmente, até agora extremamente pesado) – todos os tipos de controles adicionais e interface de feedback do computador (fonte: XPrize Foundation)
Competições anteriores desse tipo, realizadas sob os auspícios da notória agência DARPA, focavam na qualidade das ações de um avatar robótico: a precisão dos movimentos por ele executados, a estabilidade do canal de comunicação, a capacidade de trabalhar de forma autônoma para algum tempo (ou pelo menos não estragar o que você começou), se a comunicação for interrompida por um tempo, etc. Ao mesmo tempo, os operadores de dispositivos de vários designs costumam sentar-se na frente de monitores de painel grande, dando comandos por meio de interfaces familiares para qualquer especialista em TI – mouses e teclados. O membro da equipe que controlava diretamente o avatar na competição DARPA treinou quase mais do que o piloto do carro de Fórmula 1, percebendo a medida de sua responsabilidade para com toda a equipe, e seus companheiros de armas tinham grandes esperanças nele.
O objetivo do Avatar XPrize é fundamentalmente diferente: contribuir para o desenvolvimento de sistemas antropomórficos controlados remotamente que resolvam suas tarefas de maneira mais ou menos tolerável, o que resistiria com segurança ao entrar no cockpit virtual do operador mais despreparado. É por isso que os competidores não criaram pilotos em suas equipes: um dos juízes foi designado aleatoriamente para cada equipe e não foram concedidos mais de 45 minutos para treiná-lo para controlar o avatar. Os juízes, é claro, não foram retirados da rua – entre eles estavam especialistas destacados em robótica, realidade virtual, interações humano-computador e até neurologia – mas definitivamente não tinham experiência em interagir com pelo menos esse avatar em particular.
Foi terrivelmente doloroso para os competidores do Avatar XPrize assistir suas criações sendo manipuladas por estranhos, em geral, pessoas. (Fonte: XPrize Foundation)
Oh, quão vividamente os operadores de avatar Avatar XPrize e as equipes que os assistiram pilotando impotentes sentiram a indisponibilidade de interfaces cérebro-computador (BCI) totalmente funcionais no momento! Câmeras estéreo foram usadas para transferir a imagem para óculos de realidade virtual (e, em alguns modelos, apenas para o monitor), e volumosas estruturas de alavancas que os operadores tinham que mover com esforço foram usadas para controlar os manipuladores do sistema. E nem sempre, como a prática tem mostrado, funcionou bem.
Na tarefa final e mais difícil, foi necessário distinguir entre superfícies ásperas e lisas pelo toque: embora os sensores correspondentes em robótica sejam conhecidos há muito tempo, era importante aqui desenvolver um sistema que transmitisse adequadamente a sensação de um braço robótico deslizando sobre uma amostra para a mão do operador. Assim que os competidores não se sofisticaram na tentativa de solucionar esse problema de engenharia: usaram luvas multicamadas com líquido injetado sob a ponta dos dedos (para recriar o aumento de pressão quando o manipulador entrava em contato com irregularidades), usaram pequenos motores de vibração para a mesma finalidade e até microfones nos dedos do robô (uma ideia extremamente engenhosa) – o som ao deslizar em superfícies lisas e irregulares é significativamente diferente).
Se essas são as interfaces intermediárias mais convenientes e eficazes para a interação do cérebro com o computador no momento, a necessidade de estabelecer uma interação direta entre estes torna-se extremamente urgente (fonte: XPrize Foundation)
E, no entanto, a visão de operadores colocados dentro de estruturas de aço com hastes móveis de controladores de manipuladores, com luvas volumosas nos dedos e com óculos de realidade virtual na cabeça, de forma alguma despertou uma sensação de satisfação com as alturas conquistadas pelo gênio da engenharia de humanidade. Em vez disso, gerou a ideia de que esse caminho de desenvolvimento de interfaces homem-máquina é claramente um beco sem saída.
Um pequeno exemplo: o robô alemão NimbRo, que ganhou o Avatar XPrize, não depende de sensores ultrassônicos ou outros para determinar distâncias com precisão – suas câmeras estéreo estão localizadas em um pescoço longo flexível, que dá ao operador a capacidade de virar a cabeça para estimar a distância para um ou outro objeto no campo de visão. É verdade que se a imagem das câmeras do robô for transmitida diretamente ao operador, com viradas bruscas da cabeça, começará a sentir um atraso no sinal de vídeo – o que pode provocar náuseas. Portanto, um software especial remodela o fluxo de quadros, descartando os francamente atrasados e suavizando as transições entre os restantes. A solução é útil ao nível de testes e protótipos, mas para o trabalho real com um hipotético avatar serial, especialmente se for usado para resolver tarefas complexas e responsáveis, é claramente de pouca utilidade.
A rede neural prontamente oferece BCIs extremamente atraentes em design – mas, infelizmente, não diz como projetá-los (fonte: geração baseada no modelo Stable Diffusion XL)
Já que os organizadores do concurso traçaram o objetivo de chegar o mais próximo possível da criação de robôs-avatares – permitindo que uma pessoa seja transportada sensualmente para onde o carro está no momento e interaja com o ambiente de forma familiar, recebendo e processando um fluxo multicanal de informações (som, visual, sensorial) e, em seguida, dando comandos com movimentos naturais do corpo, e não por meio de alguns botões virtuais exibidos pelos óculos VR, são necessárias interfaces que forneçam ao operador uma visão mais profunda imersão; ou seja BCI.
Embora seja justo, deve-se notar que eles ainda estão muito, muito longe de sua implementação efetiva em metal, plástico, silício, hidrogel e outros materiais.
⇡#Apresse-se lentamente
Como já mencionamos, a empresa Neuralink de Elon Musk foi proibida pela Food and Drug Administration (FDA) americana de testar em humanos o implante BCI desenvolvido por ela, que é implantado diretamente no cérebro. Este dispositivo, sob o nome descomplicado de “Jumper” (The Link), é capaz – ou só será capaz, aqui as estimativas de especialistas independentes diferem – tanto para registrar quanto para estimular a atividade elétrica dentro do cérebro do portador. A meta estabelecida pelo próprio Musk durante a apresentação do Jumper em novembro de 2022 – iniciar experimentos em humanos até maio deste ano – aparentemente não será alcançada.
Conheça o “Jumper” versão 0.9. Parece um pouco volumoso se contentar em instalá-lo em sua própria cabeça, não é? (Fonte: apresentação Neuralink 2020)
O fato é que, de acordo com a classificação do FDA, a interface de desenvolvimento Neuralink pertence a dispositivos médicos de terceira classe que “servem para apoiar funções vitais, são implantados, mas potencialmente criam um risco irracional de doença ou lesão”. É realista obter aprovação para testar um dispositivo de terceira classe em seres humanos somente após enviar à autoridade reguladora uma descrição detalhada de como exatamente esta unidade garante a segurança do portador no desempenho de suas funções declaradas. Ao mesmo tempo, qualquer dúvida da FDA é interpretada não a favor do requerente: se a descrição de um determinado processo parecer incompleta ou vaga para os especialistas em supervisão do consumidor, eles se oferecerão para reescrevê-la, se os resultados dos testes em animais forem considerados como não convincentes ou não confiáveis, eles terão que ser re-conduzidos.
Uma vez, aliás, “Jumper” já falhou na consideração do pedido apresentado ao FDA: as reclamações foram causadas pela estabilidade da bateria de bordo do implante e seu sistema de recarga. Além disso, especialistas questionaram a capacidade dos eletrodos implantados no cérebro do aparelho de se manterem firmes em suas posições originais. Este é um ponto significativo: os tecidos cerebrais são extremamente delicados e um fio de metal fino, movendo-se de seu lugar, quase certamente danificará muitos neurônios vizinhos. Mesmo que você de alguma forma garanta um posicionamento estável dos eletrodos implantados, se necessário, remova o “Jumper” totalmente ou substitua apenas uma fiação (por exemplo, queimada), a probabilidade de danos acidentais aumenta muitas vezes.
«E você, o portador biológico da mente, se inscreveu para implantação neural? (Fonte: geração Stable Diffusion XL)
Talvez os obstáculos no caminho de The Link surjam em grande parte devido aos traços de caráter do próprio Musk, cuja atitude peremptória e briguenta se tornou um sinônimo não apenas na indústria de TI. Por exemplo, o American National Institutes of Health (NIH) oferece uma série de programas para apoiar desenvolvimentos privados no campo da neurotecnologia, e a cooperação com esta organização certamente ajudaria a Neuralink a superar a alta barreira estabelecida pelo FDA, mas infelizmente. “Musk não quer fazer negócios com ninguém com experiência na indústria de dispositivos médicos”, disse Kip Ludwig, ex-diretor do programa do NIH. “E ele não deseja cooperar com órgãos governamentais: ele, veja, não gosta de burocracia.”
Enquanto isso, outros desenvolvedores de interfaces neurais invasivas – embora sem estabelecer metas tão ambiciosas como o Neuralink – contornam-no no caminho para os testes acalentados. O mais tardar no início de 2023, soube-se que a jovem empresa neurotecnológica Synchron, que recebeu a cobiçada permissão do FDA em meados de 2021 (e já havia realizado 7 instalações bem-sucedidas), pretende em breve iniciar testes extensivos de seus dispositivo sensor com base no Vascular Institute Gates em Buffalo, Nova York. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento do Synchron é tecnologicamente mais simples: “Jumpers” é uma grade de eletrodos criada no modelo de um stent venoso e fornecida ao córtex cerebral não diretamente, mas por via endovascular, através dos vasos do sistema circulatório. Ao mesmo tempo, a empresa entrou com um pedido de teste em humanos em 2016. Não é surpreendente,
Representação esquemática do neuroimplante endovascular Synchron, sua localização e método de aplicação – para estabelecer comunicação direta entre o cérebro e um biônico ou exoprótese por meio de um canal sem fio (fonte: University of Melbourne)
Além disso, se não fosse pela rejeição orgânica do protótipo não oficial do Homem de Ferro (o oficial era Howard Hughes, um industrial americano, produtor de cinema e aviador da primeira metade do século 20, mas o autor do roteiro original, Mark Fergus, admitiu que sua equipe se inspirou essencialmente no caso de Musk) de procedimentos formais, as coisas poderiam ter sido bem diferentes. Afinal, as primeiras informações sobre o Neuralink surgiram um pouco depois do momento em que a Synchron anunciou à FDA a sua intenção de testar o seu desenvolvimento em humanos, nomeadamente em 2017. Neurofisiologistas, neurocientistas e outros especialistas já alertaram que um progresso rápido e de tirar o fôlego do próximo desenvolvimento do Musk não deveria ser esperado, e de forma alguma porque eles se revelaram completamente retrógrados e céticos.
⇡#…E um pouco nervoso
Implante neural (implante neural) – um dispositivo que é implantado diretamente no cérebro e em contato direto com os neurônios – uma pessoa longe da neurofisiologia pode parecer um gadget completamente fantástico no momento. Na verdade, esses implantes existem há vários anos e têm uma gama bastante ampla de aplicações – desde a aceleração da reabilitação após lesões e doenças até o controle de próteses mecanizadas.
Eletrodos de estimulação cerebral profunda implantados na cabeça de um paciente com doença de Parkinson, uma espécie de “marca-passo cerebral (semelhante ao coração)”: radiografia colorida (fonte: Science)
O princípio de seu funcionamento é bastante direto: como um sinal elétrico se propaga ao longo do axônio de um neurônio ativo, a mudança de potencial causada por esse movimento de carga pode ser corrigida se um circuito sensível for colocado em algum lugar próximo; no caso mais simples, um eletrodo linear. Podem surgir dificuldades com a recepção adequada do sinal – se for muito fraco ou se vários neurônios adjacentes forem ativados ao mesmo tempo, etc. – mas essas dificuldades são principalmente técnicas, o que torna a interface cérebro-computador em princípio realizável.
Os implantes neurais também podem funcionar na direção oposta, do computador para o cérebro. Impulsos gerados artificialmente – com durações e amplitudes corretamente selecionadas – são capazes de “sobrescrever” (mais precisamente, abafar, substituindo-se) sinais naturais que se propagam ao longo dos axônios dos neurônios adjacentes ao condutor-antena. Assim, torna-se possível, senão totalmente, controlar a atividade cerebral na área próxima ao implante (uma vez que o impulso original ainda provocará a liberação de neurotransmissores no intervalo entre o axônio e o dendrito, ou seja, o sinal externo não substituirá completamente o interno, mas fará barulho / enfraquecerá) , então, pelo menos, influenciá-lo propositalmente.
Para tratar distúrbios do movimento causados por distúrbios nos centros cerebrais, a estimulação elétrica de três zonas principais é usada: o núcleo intermediário ventral, a bola pálida interna e o núcleo subtalâmico (fonte: Health Plexus)
Na verdade, os médicos têm praticado exatamente esse efeito na forma de estimulação cerebral profunda (DBS) por meio de implantes neurais médicos, trabalhando com pacientes desde o final do século passado. Em primeiro lugar, com aqueles que sofrem de certos distúrbios da atividade cerebral, incluindo doença de Parkinson, transtorno obsessivo-compulsivo, epilepsia e assim por diante. Segundo especialistas da International Neuromodulation Society, em 2018 já existiam mais de 150 mil portadores desses implantes no mundo. Entre eles estão pessoas com lesões na medula espinhal, a quem os dispositivos DBS devolveram a oportunidade, que parecia perdida para sempre, de controlar pelo menos parcialmente seu próprio corpo.
Controladas diretamente pelo cérebro, as próteses biônicas – uma concretização muito prática do conceito BCI – também se tornaram realidade graças aos eletrodos implantados no tecido cerebral. É importante enfatizar a palavra “diretamente” aqui, porque se o contato for mantido entre os sistemas nervosos periférico e central, a tarefa é bastante simplificada. Assim, em 2016, médicos e neuroengenheiros do Functional Neural Interface Lab, em Cleveland, Ohio, EUA, criaram e testaram uma prótese de mão neurobiônica para um paciente que a perdeu em um acidente industrial.
Graças a uma prótese biônica modular, a capacidade de interagir com objetos volta a pessoas que perderam os braços até a articulação do ombro (fonte: Universidade Johns Hopkins)
Projetos biônicos anteriores desse tipo forneciam contato em apenas uma direção – do cérebro, através dos nervos preservados que anteriormente controlavam os movimentos das mãos, até o sistema de controle digital da prótese. Em geral, tais sistemas funcionam razoavelmente (o link pode exigir pagamento de acesso; outra história sobre este projeto está aqui), exceto pela falta de feedback tátil – que não permite um controle fino da força aplicada aos dedos artificiais.
Os pesquisadores de Cleveland implantaram eletrodos sensoriais (não de comando!) adicionais no antebraço e no ombro do paciente, formando 20 pontos de contato com três terminações nervosas. Nas pontas dos dedos da prótese neurobiônica – médio, indicador e polegar – foram montados sensores de pressão de película fina, cujos sinais foram retransmitidos aos nervos. Com isso, o sucesso em tarefas que exigem um controle fino das forças aplicadas nos dedos (arrancar uma uva do cacho sem danificar o bago, por exemplo) aumentou de 43%, quando se usa uma prótese biônica padrão, para 93%, no caso de uma prótese neurobiônica.
O procedimento de adivinhação em uma flor implica um controle muito preciso dos esforços aplicados: vale a pena apertar um pouco – e a pétala fina simplesmente achata. Uma prótese neurobiônica com feedback tátil permite que você lide com essa tarefa com confiança. (Fonte: Functional Neural Interface Lab)
Até o momento, já são conhecidos vários desenvolvimentos semelhantes que permitem ao cérebro – por meio dos canais preservados do sistema nervoso periférico – controlar semelhanças artificiais de órgãos naturais. Em 2019, uma equipe internacional de pesquisadores com sede em Zurique revelou uma prótese neurobiônica acima do joelho que pode dar aos pacientes uma noção de como esse mesmo joelho (agora representado por uma articulação eletromecânica) se flexiona e se estende. É interessante que, para isso, uma prótese biônica em série já bastante perfeita tenha sido modificada, o microprocessador embutido e o sensor angular que fornecem um posicionamento confiável do membro artificial durante o movimento.
Os pesquisadores apenas complementaram o sistema comercial com um implante que estimula o nervo tibial (na parte posterior da coxa): as informações do sensor de ângulo, que mede a posição da parte tibial da prótese em relação ao fêmur, são transmitidas não só ao processador, mas também ao cérebro do paciente através de seu próprio nervo . “E então a natureza dirá”, como disse um dos desenvolvedores: recebendo um sinal codificado o mais próximo possível do natural, o cérebro do paciente aprende a interpretá-lo corretamente após um tempo extremamente curto – e eventualmente controla a flexão / extensão do joelho eletromecânico não menos confiável do que natural.
⇡#Terminar e refazer
Mas e se a medula espinhal for danificada, como resultado do qual o sistema nervoso periférico é privado de contato com o central – de modo que o paciente não seja capaz de dar comandos a nervos completamente saudáveis u200bu200bde uma mão completamente saudável? No mesmo ano de 2016, uma equipe de neuroengenheiros da Universidade de Pittsburgh testou um implante neural projetado para esse caso. Anteriormente, um mapa da correspondência de partes individuais do cérebro com as sensações que surgem quando dedos individuais e a palma da mão como um todo entram em contato com objetos foi construído ao longo de vários meses. Em seguida, foi criado o próprio implante – um pente retangular de 60 contatos de agulha em uma plataforma medindo 2,4 × 4 mm.
Um implante neural bastante indefinido pode tornar a vida muito mais fácil para pessoas que perderam membros (Fonte: University of Pittsburgh)
Como as áreas detectadas estão localizadas no córtex somatossensorial primário do cérebro (zona S1), bem na sua superfície, não houve necessidade de aprofundar significativamente os implantes. Eles foram colocados de forma que houvesse uma lacuna de frações de milímetro entre as pontas dos eletrodos e a superfície do córtex, e a placa de base com os barramentos de comunicação permaneceu fora do crânio para facilitar a conexão a um sistema de controle externo. Sim, esse não é exatamente o tipo de interface neural que pode ser facilmente removida e colocada, o que é familiar e familiar para os fãs de ficção científica cyberpunk, mas é um começo.
O resto já era uma questão de técnica: nas primeiras semanas após a operação, um paciente com lesão medular sentiu, ao estimular os eletrodos com diferentes variações de impulsos, ora formigamento nas palmas das mãos, ora vibração no dedo indicador, ora leve toques no polegar, etc. Demorou cerca de seis meses para coletar os parâmetros de estimulação necessários (amplitude, duração e frequência de um impulso individual mais o número e localização dos impulsos em um pacote) e colocar certos sinais em estrita correspondência com cada um dos as respostas desejadas do sistema nervoso.
Na ausência de comunicação entre o sistema nervoso central e periférico, o neuroimplante permite controlar com confiança o braço robótico – mesmo que não esteja conectado diretamente ao corpo do operador (fonte: University of Pittsburgh)
A etapa final do experimento foi a conexão ao sistema de laboratório de um braço robótico com sensores de pressão nas mãos e dedos – e o controle desse manipulador pelo mesmo paciente com um curativo apertado sobre os olhos. O experimento foi um sucesso: imediatamente após o início do trabalho, o paciente percebeu adequadamente os impulsos transmitidos pelo implante neural em 85% dos casos, e após um curto treinamento e calibração do sistema, em todos os 100%.
Sim, nem tudo correu bem: a sensibilidade nas pontas dos dedos robóticos não pôde ser restaurada e, em alguns casos, o paciente sentiu, em vez de pressão ou vibração, como se fosse um leve formigamento elétrico. Isso indica, segundo os cientistas, posicionamento insuficientemente preciso dos implantes e/ou baixa resolução do pente de eletrodos usado no experimento. É aqui que o alardeado produto Neuralink com suas muitas centenas de eletrodos em uma plataforma com diâmetro de 23 mm viria a calhar – mas a longo prazo, como já mencionado, é improvável que o controle do consumidor americano (FDA) permita o uso deste neurochip em humanos.
A exploração tripulada do espaço profundo tem tudo a ver com romance e superação, mas será muito mais prático e seguro para uma pessoa tocar as maravilhas de planetas distantes à distância, explorando ativamente BCIs bidirecionais (fonte: geração baseada no modelo Stable Diffusion XL)
No entanto, muito depende de quem e como fará o pedido. Em 2014, a já mencionada agência DARPA começou a trabalhar em um programa de recuperação de memória ativa: Restaurando Memória Ativa, RAM. Os militares dos EUA alocaram então US$ 77 milhões para desenvolver um dispositivo implantável que ajuda a fortalecer a memória em pacientes que sofreram lesões cerebrais traumáticas. No decorrer desse desenvolvimento, testes humanos muito intensivos foram realizados – e não houve obstáculos do FDA, além disso. Por uma razão muito boa, que será discutida um pouco mais tarde.
A intensidade e a escala dos experimentos, bem como a escuridão e a densidade da floresta que os neurofisiologistas e neuroimplantologistas têm para vagar quase pelo toque, podem ser julgadas pelas atividades do Laboratório de Memória Computacional da Universidade da Pensilvânia, cujo trabalho recebeu um impressionante prêmio $ 22,7 milhões. ., uma bolsa do referido programa RAM. Os pesquisadores se propuseram a descobrir exatamente como o cérebro funciona durante o processo de lembrar e esquecer informações – para ter uma ideia da possibilidade e das formas de estimular o primeiro e prevenir o segundo.
Diagrama de um dos hemisférios de um “cérebro generalizado” estudado no Laboratório de Memória Computacional usando um sistema de aprendizado de máquina, com os pontos de entrada indicados para todo o conjunto de eletrodos (fonte: Universidade da Pensilvânia)
Os testes envolveram 102 pacientes, cada um com cerca de cem eletrodos implantados em diferentes partes do cérebro. Todos eles fizeram um teste padrão de esquecimento de memória, que envolve mostrar uma lista de várias palavras aleatórias por um determinado período de tempo e, em seguida, uma série de tentativas de reproduzir essa lista – em intervalos crescentes. Ao longo do teste, eletrocardiogramas intracranianos (intracranianos) e ECGs foram obtidos dos participantes usando eletrodos implantados, que foram processados em um computador usando um sistema de aprendizado de máquina.
Como resultado, assumindo que o espaço intracraniano em todos os indivíduos é geralmente organizado da mesma maneira, os pesquisadores obtiveram iECG como se de 10 mil eletrodos implantados em diferentes partes do mesmo “cérebro generalizado”. Analisando os padrões característicos (padrões) da atividade cerebral nos estágios de memorização de dados primários, sua subsequente recordação e subsequente esquecimento, o sistema criou um modelo de classificação para essa mesma atividade. A inteligência artificial, ainda que rudimentar, colocou uma mão virtual no estudo do natural!
A rede neural às vezes produz imagens bastante cáusticas: por exemplo, aqui, ilustrando o processo de codificação de alta intensidade no cérebro humano, subestimou ligeiramente o tamanho deste último (fonte: geração baseada no modelo Stable Diffusion XL)
Descobriu-se que durante a memorização de informações, o cérebro está no chamado estado de “codificação de alta intensidade” com predomínio de ondas cerebrais rápidas (alta frequência) no iECG, enquanto a perda de informações – esquecimento – é acompanhada por um aumento nas ondas lentas da atividade cerebral. O modelo de computador, comparando os padrões fixados no iECG com os resultados do teste, acabou aprendendo a prever com bastante precisão se essa palavra específica da lista permanecerá na memória de um determinado sujeito no momento do próximo teste – ou se ter tempo para esquecer.
A próxima etapa do experimento foi a prevenção do esquecimento: descobriu-se que a estimulação pontual (aplicando um sinal a alguns dos eletrodos) imediatamente após as ondas lentas começarem a prevalecer sobre as rápidas evita a perda de informações. Isso pode ser comparado à interrupção manual do sinal “apagar da memória”, que é formado de maneira totalmente natural: o cérebro, em qualquer caso, tende a esquecer em vez de lembrar, e se a informação não for percebida como vital, então ela é jogado para fora da cabeça muito rapidamente.
Evidência clara dos benefícios da terapia DBL de longo prazo: após a inserção de implantes cerebrais profundos, o cérebro de um paciente deprimido mostrou atividade extremamente lenta (marcado em verde no par de imagens à direita), mas apenas seis meses depois, eletricidade regular estimulação trouxe benefícios tangíveis (fonte: Emory University)
E aqui o experimento entrou em sua fase mais divertida: os pesquisadores tentaram longa e duramente pulsos de várias formas, frequências, amplitudes e durações, aplicando-os a diferentes eletrodos, e finalmente obtiveram resultados positivos dignos de publicação na Nature. É verdade que para colocar o transportador de implantes salva-vidas para o tratamento da síndrome do esquecimento pós-traumático, eles ainda não são totalmente adequados: a amostra de sujeitos revelou-se muito específica.
O fato é que todos os 102 participantes do experimento da Pensilvânia eram pacientes com epilepsia, que já haviam implantado eletrodos no cérebro para fins de tratamento clínico dessa doença (razão pela qual não precisaram pedir permissão adicional ao FDA). Ao mesmo tempo, alguns dos eletrodos em cada um dos sujeitos atingiram apenas o córtex externo, alguns foram profundamente a estruturas internas como o hipocampo – e o mais importante, toda a duração dessa terapia clínica não excedeu três semanas. Outros pacientes com Parkinson, por exemplo, receberam implantes para estimulação cerebral profunda durante anos, mas o grupo da Pensilvânia não teve acesso a tais sujeitos.
⇡#Eu vejo o mundo!
Dentre as diversas áreas da atividade cerebral, talvez a mais importante, principalmente na era da digitalização total, sem exageros pode ser considerada o processamento de sinais visuais – a visão. Não é surpreendente que tanta atenção seja dada à correção BCI (e até mesmo à restauração parcial) da visão hoje: o efeito da aplicação prática de tais desenvolvimentos será ensurdecedoramente significativo tanto em termos médicos quanto comerciais. Além disso, os olhos como órgão da visão e as seções correspondentes do córtex cerebral estão eletricamente conectados, o que significa que os cientistas naturais têm algo para conectar seus eletrodos.
O trato óptico (não confundir com o nervo óptico!) começa no quiasma óptico e termina no corpo geniculado lateral, no coxim talâmico e no colículo superior do teto do mesencéfalo (fonte: Universidade Nacional da Colômbia)
Já no início do século XIX, os fisiologistas descreveram os fosfenos – das antigas palavras gregas φῶς, “luz” e φαίνω, “eu detecto, revelo” – os fenômenos da manifestação de uma reação visual na ausência de exposição direta a fótons de luz visível na retina. A maneira mais fácil para uma pessoa com visão observar o fosfeno é pressionar (apenas suavemente!) Com um dedo o próprio olho fechado no escuro. Além da ação mecânica, os fosfenos são gerados por certas substâncias químicas, assim como pela excitação elétrica – seja da própria retina, seja diretamente dos centros visuais do córtex cerebral.
Se a retina estiver danificada, ou seja, os fotorreceptores nela estão danificados – devido a um acidente ou infecção, digamos – o nervo óptico e outras estruturas até os centros visuais geralmente permanecem intactos. Nesse caso, parece lógico pegar algum tipo de conversor fotoelétrico artificial – como uma matriz CMOS, da qual existem pelo menos três literalmente em todos os smartphones hoje – e conectá-lo ao nervo óptico. Tomando cuidado, é claro, para que os impulsos elétricos que entram no nervo correspondam aos que seriam gerados nas mesmas condições pela retina natural (retina).
Representação artística de fosfenos causados por ação mecânica nos globos oculares (Fonte: Wikimedia Commons)
Esses implantes, chamados de implantes de retina, podem ser dispositivos puramente optoeletrônicos (como os dispositivos Argus do Second Sight, aos quais retornaremos em breve) ou podem contar com conversores fotovoltaicos naturais – a integração em tecidos vivos em muitos casos acaba sendo mais fácil e indolor. Assim, um grupo de pesquisadores da Universidade de Basel propôs em 2021 uma terapia gênica para o tratamento de pacientes com retinite pigmentosa, uma doença que destrói irreversivelmente os fotorreceptores da retina.
De uma alga fotossintética unicelular, um gene de fotossensibilidade foi isolado, com a ajuda da optogenética suíça (sim, existe essa indústria na medicina agora!) Células ganglionares da retina modificadas responsáveis pela conversão real de um fóton em um impulso elétrico e danificado neste paciente. É verdade que há uma nuance: como a alga original é sensível à região amarelo-laranja do espectro, um paciente com retina geneticamente modificada deve usar óculos inteligentes especiais que aumentam significativamente o contraste e alteram o equilíbrio de cores conforme necessário – e apenas em seguida, projete a imagem na retina. Ao que parece, de onde vem Goodwin, o Grande e Terrível?
A maneira optogenética de restaurar a capacidade de ver (embora não a visão total) nesta fase do desenvolvimento da tecnologia envolve o uso de um design de cabeça bastante complicado (fonte: Nature)
No entanto, em vários casos, o próprio nervo óptico do paciente falha, tornando inútil confiar na maneira natural de fornecer impulsos elétricos às zonas visuais do córtex cerebral. Observe que o nervo óptico é um feixe denso de axônios de mais de um milhão de células ganglionares – o design é bastante vulnerável. Se estiver danificado, faz sentido confiar na própria correção da visão BCI: transforme a luz em impulsos elétricos usando um sistema semicondutor (felizmente, não faltam câmeras digitais compactas de alta resolução hoje) e, em seguida, recodifique esses impulsos em sinal conjuntos idênticos aos que passam pelos nervos visuais de uma retina saudável, e encaminham esse fluxo de informação diretamente para os centros visuais.
Parece simples, mas quanto – tanto do ponto de vista neurofisiológico quanto puramente de engenharia – é mais difícil do que fornecer feedback tátil de uma mão protética biônica, por exemplo! Em 1978, William H. Dobelle, um oftalmologista americano, pela primeira vez na história, implantou uma grade de eletrodos na superfície do córtex cerebral de um paciente cego – na esperança de aprender como restaurar a capacidade de percepção visual das pessoas. Foi planejado retransmitir o sinal de uma câmera de vídeo e um telêmetro óptico, montado em óculos especiais, através desses eletrodos: o telêmetro era necessário para determinar a distância dos objetos sem carregar adicionalmente o cérebro com um fluxo de dados de um par de câmeras estéreo . Um PDA foi colocado no cinto do paciente, redirecionando as informações dos óculos para os contatos de entrada do implante, e uma bateria.
Em 2015, o sistema Argus II da Second Sight ajudou as pessoas a recuperar pelo menos parte da visão (fonte: BBC)
Passaram-se mais de duas décadas desde o primeiro protótipo até ao aparecimento de um implante pronto para uso prático: só em 2002, Dobel operou o seu “paciente alfa”, e fê-lo em Portugal, porque nos EUA – como provavelmente o atento leitor já adivinhou – ele não conseguiu permissão do FDA. No então nível de desenvolvimento da ciência e da tecnologia, estava fora de questão determinar exatamente quais neurônios deveriam receber quais sinais para formar uma imagem humana reconhecível. O princípio da “natureza dirá” – não tão raro em neurofisiologia – funcionou aqui também: o paciente, cujos centros visuais eram excitados por sinais em constante mudança, observou inicialmente alguns fosfenos abstratos na forma de pontos brancos bruxuleantes em um fundo preto, mas gradualmente,
Sim, apenas monocromático; sim, com resolução extremamente baixa, e diferentes pacientes demonstraram diferentes habilidades de autoaprendizagem, mas o controle objetivo testemunhou: o cego se tornou extremamente deficiente visual. Mais precisamente, eles se viraram por um tempo: o “paciente alfa” perdeu a capacidade de distinguir até os contornos ásperos e pouco nítidos dos objetos já alguns meses após a operação – devido à degradação da grade de eletrodos colocada na superfície de seu cérebro .
Sistema original do Dr. Dobel: óculos de câmera, implante de cabeça, minicomputador (“mini” para os padrões da época, é claro) no cinto, chicotes de cabos (fonte: Institut Dobelle AG)
As atividades do Dr. Dobel causaram respostas extremamente controversas: ele foi duramente criticado pela falta de periódicos experimentais detalhados e publicações científicas sérias, mas ao mesmo tempo foi indicado em 2003 para o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina. Infelizmente, em 2004, esse cientista morreu repentinamente, deixando para trás essencialmente nenhuma base adequada para um maior desenvolvimento (havia rumores de que ele não documentou ou patenteou nada especificamente, temendo que suas conquistas vazassem para concorrentes inescrupulosos) – e a direção estava adormecida por muitos anos.
O quanto as ideias de Dobel estavam à frente de seu tempo pode ser julgada pelo fato de que somente em 2020 a Science publicou a publicação “Sobre a restauração da visão estimulando o cérebro”, de autoria de uma equipe liderada por Pieter Roelfsema, da Holanda Institute of Neuroscience com uma descrição estritamente acadêmica de tal experimento e seus resultados. É verdade que a pesquisa holandesa foi realizada não em humanos, mas em macacos e, além disso, em pessoas com visão, caso contrário, como verificar suas reações? Uma grelha de 16 filas de 64 elétrodos foi implantada na superfície do centro visual de cada um dos macacos experimentais, o que permitiu essencialmente gerar fosfenos num campo de visão retangular com uma resolução de 1024 pontos.
⇡#Com o gosto da visão devolvida
Aqui, o conhecido princípio da retinotopia veio em auxílio dos neurofisiologistas: certas áreas da retina estão associadas a certas áreas do centro visual. Portanto, se uma fonte de luz aparecer no campo de visão do paciente, digamos, do canto superior esquerdo, isso causará a excitação de alguns neurônios claramente localizados no córtex visual e, se for do canto inferior direito, outros. Esse princípio é a base da técnica proposta em 2013 por pesquisadores japoneses para espionar os sonhos de outras pessoas – ou, como é mais cientificamente formulado no título de seu artigo na Science, “decodificação neural de imagens visuais durante o sono”.
Um suporte de eletrodo de titânio (à esquerda) foi montado na cabeça do macaco experimental, enquanto a própria grade de eletrodos (à direita) para gerar fosfenos foi sobreposta no córtex visual (fonte: Science)
Peter Rölfsem e seus colegas usaram o princípio da retinotopia na direção oposta: ativando certas áreas dos centros visuais por meio de uma rede de eletrodos, eles fizeram os macacos observarem fosfenos em certas partes do campo visual. Uma série de experiências confirmou que os sujeitos ao longo do tempo aprenderam a distinguir com segurança o posicionamento espacial de fosfenos individuais, a orientação de estruturas ordenadas de dois fosfenos (horizontalmente este par é visível no campo de visão ou verticalmente), bem como a direção de a sua apresentação sequencial (o fosfeno aparecia primeiro à direita, seguido do segundo à esquerda – ou vice-versa). Além disso: o número de sujeitos experimentais incluía macacos treinados para distinguir letras. E esses animais foram capazes de identificar letras com boa precisão,
Se tudo funcionou tão bem nos macacos, e se é possível aos cegos devolver pelo menos uma capacidade limitada de ver desta forma (ou de receber informações “visuais” geradas por um computador usando fosfenos), então por que não As idéias do Dr. Dobel não encontram um desenvolvimento em larga escala? O fato é que o sistema nervoso central é uma questão muito mais sutil e sensível do que o periférico: a simplicidade e a facilidade (comparativa, claro) com que as próteses biônicas se conectam aos nervos dos membros só é sonhada por neurofisiologistas cerebrais .
Robert Greenberg, fundador da Second Sight, apresenta seus implantes de retina (fonte: Second Sight)
Um exemplo vivo (com algumas ressalvas) disso é a empresa americana Second Sight, fundada em 1998, após a aquisição no verão de 2022, rebatizada de Vivani. Seu primeiro desenvolvimento no campo da visão artificial foram os implantes de retina Argus (com resolução de 16 pixels) e Argus II (64 pixels), projetados para substituir a retina irreversivelmente danificada de pacientes. Além disso, os planos da empresa incluíam o lançamento de neuroimplantes cerebrais já chamados Orion, que deveriam ter a mesma aparência e ação do notório sistema Dobel, apenas em um novo nível de desenvolvimento tecnológico e com uma vida útil muito mais longa.
No entanto, em 2019, o projeto Argus foi interrompido e os testes do Orion foram adiados até que a crise do coronavírus estourasse e o Second Sight estivesse à beira da falência. Naquela época, havia mais de 350 portadores de seus “olhos biônicos” em todo o mundo, que durante a noite ficaram sem suporte técnico e médico. Hoje, após a aquisição e renomeação da empresa para Vivani, seus especialistas restantes estão ocupados, de acordo com o site oficial, “desenvolvendo um portfólio de implantes de longo prazo em miniatura para a administração de doses medicinais no corpo”.
Argus II internals: o próprio implante de retina está localizado no mesmo local que os fotorreceptores do olho natural, e o arnês eletrônico necessário é colocado no equador da prótese (fonte: IEEE Spectrum)
Os projetistas da Orion também escolheram uma abordagem de superfície para colocar seu implante cerebral: embora os eletrodos imersos forneçam uma entrega mais precisa e direcionada de impulsos excitatórios para neurônios selecionados, os fios de metal no tecido cerebral inevitavelmente se corroem ou danificam mecanicamente as células circundantes ou provocam inflamação . Devemos nos contentar com grades de eletrodos na superfície do córtex da zona visual, porém, como consequência, é necessário aumentar a potência de cada pulso individual que controla a geração de fosfenos no campo de visão do paciente.
E isso, por sua vez, impõe restrições inevitáveis à densidade da grade de eletrodos (ou seja, à resolução da imagem final composta por pixels de fosfeno), uma vez que uma estimulação elétrica muito forte dos neurônios visuais leva, ao que parece, à epilepsia. O grupo holandês de Rölfsem mencionado anteriormente pratica uma abordagem intermediária: cada um dos eletrodos em sua grade não é um nó, mas a agulha mais fina que penetra profundamente no córtex por apenas algumas camadas neuronais. Isso possibilita o uso de correntes de média intensidade (cem vezes menos do que as exigidas pelos eletrodos de superfície para excitar as células desejadas) e, além disso, minimiza a um mínimo razoável os efeitos negativos de corpos estranhos no tecido cerebral.
«O pirulito do sistema BrainPort é uma nova esperança para deficientes visuais (fonte: Wicab)
É possível prescindir completamente de operações invasivas para acessar as zonas visuais? Como o BrainPort claramente demonstra, o desenvolvimento da empresa americana Wicab é bastante. Este gadget, criado na primeira década deste século, à primeira vista lembra o sistema Orion ou a criação malsucedida do Dr. Dobel: os mesmos óculos com uma única câmera, o mesmo PDA no cinto do paciente para processar o sinal transmitido por e convertendo-o em impulsos nervosos. Mas os fios do computador de controle não levam a uma grade de eletrodos implantados na nuca do paciente, mas à boca, ao “pirulito” – uma almofada de contato lingual de cerca de 9 cm2, pontilhada de pequenos eletrodos salientes, como um processador típico (exceto para várias gerações recentes da Intel). Cada eletrodo resume informações de uma determinada área do campo de visão da câmera,
Por que os sinais da câmera de vídeo são enviados especificamente para a língua? Sim, porque, como já mencionamos mais de uma vez, “a natureza dirá”: a plasticidade do sistema nervoso central humano é realmente incrível. Como os próprios desenvolvedores do Wicab admitem – neurofisiologistas certificados, aliás – ninguém sabe ao certo para onde vai a informação recebida pelas terminações nervosas na superfície da língua: diretamente para o departamento visual – ou para o somatossensorial, geralmente responsável por processamento de sensações táteis. Por razões óbvias, é impossível visualizar o trabalho do cérebro de um paciente com uma placa de contato na boca em um tomógrafo; portanto, por algum tempo – antes da invenção de meios fundamentalmente novos de monitorar a atividade cerebral em tempo real – esse enigma permanecerá sem solução.
Em termos de sabor e cor, todos os marcadores no campo de visão do sistema “língua-centro visual” parecerão iguais, mas pelo menos podem ser vistos de alguma forma (fonte: Wicab)
Mesmo assim, o aparelho funciona e os sujeitos o dominam em média em não mais de um quarto de hora – quase o mesmo tempo que leva para aprender a andar de bicicleta com mais ou menos suavidade. O paciente ouve sensações internas geradas pelo leve formigamento dos eletrodos da placa em sua língua e, de repente, começa a fixar fosfenos – a princípio como um ruído branco indistinto, do qual gradualmente emergem contornos de objetos ásperos, hipercontrastados, mas ainda reconhecíveis. Usuários cegos do BrainPort são capazes de caminhar sozinhos por um corredor estreito sem tocar nas paredes; detecte na parede sem contato direto – não por toque, como de costume! – botão do elevador estique a mão exatamente para a caneca que está sobre a mesa; até mesmo distinguir letras grandes em sinais ou telas de vídeo.
Em princípio, nada impede ensinar uma pessoa a “ver com as palmas” ou outros fragmentos do corpo exatamente da mesma forma – a transformação da informação tátil em visual devido à plasticidade da percepção sensorial não se limita apenas à linguagem. É que é especialmente conveniente de várias maneiras: a saliva fornece excelente condutividade aos contatos, a densidade das terminações nervosas na superfície da língua é maior do que em qualquer outro lugar e essas próprias terminações estão localizadas quase na própria superfície ( enquanto as pontas dos dedos, por exemplo, são cobertas pelo estrato córneo das células mortas da pele, proporcionando proteção mecânica adicional, mas também reduzindo a sensibilidade).
Uma representação visual de como os pixels de fosfeno formam uma imagem completamente distinguível em estática e dinâmica já com uma resolução de 60 × 60 pixels (fonte: Wicab)
Os exemplos acima, eu gostaria de acreditar, demonstram claramente como a indústria de BCI é nova e inexplorada e, ao mesmo tempo, quão aguda é a necessidade dela para uma parcela bastante significativa, embora pequena, da população mundial. Muito provavelmente, o desenvolvimento de interfaces entre o computador e o cérebro (em ambas as direções) será feito de forma mais intensa, tendo em vista justamente as necessidades de saúde. E gamers, cibermergulhadores, fãs do metaverso e qualquer um que esteja simplesmente interessado nas novas possibilidades que o BCI abre terão que esperar mais um pouco.
Deve-se pensar que teremos que esperar até que apareçam as primeiras interfaces médicas realmente convenientes – não invasivas, mas ao mesmo tempo não muito volumosas (em comparação com uma máquina de ressonância magnética). Esses dispositivos serão muito mais fáceis de comercializar, especialmente porque o público potencial de seus compradores já está, pode-se dizer, em um começo baixo. Então ficará muito mais fácil gerenciar robôs autônomos e mergulhar em mundos virtuais; e a que alturas (e profundidades) chegará a comunicação com a inteligência artificial num espaço totalmente digital, ainda que a princípio percebida através da visualização do fosfeno de baixa resolução, podemos apenas adivinhar!