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Desvendando os Mistérios da Linguagem Cerebral

Publicado em 02/05/2005 | Física

Em 1986 Apostolos P. Georgopoulos descobriu que a actividade dos neurónios motores está relacionada com a direcção em que se dá o movimento. Esta descoberta aplicada aos Brain-machine interfaces, elos de ligação entre o cérebro e um dispositivo artificial, deu início a uma nova era de próteses mecânicas. O potencial deste tipo de aplicações é infindável.

O que são Brain Machine Interfaces e como funcionam?
Figura 1 - O olho artificial está já em desenvolvimento

Fig. 1 - O olho artificial está já em desenvolvimento

Como o nome indica, um Brain- Machine Interface (BMI) é algo que faz uma espécie de ligação entre o cérebro e um dispositivo artificial. Existem dois tipos de BMIs . O primeiro, acerca do qual não se falará em profundidade, gera sinais eléctricos artificiais que depois transmite ao cérebro. O olho artificial utiliza um deste tipo. Neste aparelho, que se encontra já em desenvolvimento, um recebe a informação do exterior através de uma câmara. Depois de processada pelo esta informação é enviada para o lobo occipital do cérebro, local onde se encontra a área visual. Aqui a informação é compreendida: a imagem é vista.

No segundo tipo de BMIs, a informação é obtida no cérebro e, passando pelo BMI, é utilizada num dispositivo artificial como, por exemplo, um robot. Para proceder à construção dum BMI deste tipo é essencial uma compreensão vasta do cérebro. Em primeiro lugar, dependendo da função que o dispositivo vai exercer, é preciso saber onde, no cérebro, se originam as ordens que controlam essa função. No caso dos BMIs que traduzem informação motora é inicialmente indispensável saber onde se encontra a área motora do cérebro. Depois é preciso descobrir como os neurónios dessa zona codificam essa informação para que esta possa ser traduzida numa linguagem compreendida pelo dispositivo artificial.

O Sistema Nervoso e o Movimento
Figura 2 - O córtex motor encontra-se nos lobos frontal e parietal do cérebro

Fig. 2 - O córtex motor encontra-se nos lobos frontal e parietal do cérebro

O tecido nervoso é constituído por dois tipos de células: neurónios e células da glia. As células da glia têm como função essencial o suporte dos neurónios e, portanto, não têm muita importância no movimento. Os neurónios são as células essenciais na transmissão de informação entre os vários componentes do sistema nervoso e outras partes do corpo, nomeadamente os músculos. O sistema nervoso tem um papel importante no movimento. O córtex motor, localizado nos lobos frontal e parietal do córtex cerebral, é a parte do sistema nervoso que controla o movimento. É a partir daqui que é transmitida a informação acerca do movimento para os músculos. Esta informação é transmitida por meio de impulsos nervosos que se propagam desde o córtex motor até aos músculos e indica se estes se devem contrair ou relaxar para se dar o movimento.

Como se obtém a informação acerca da actividade do córtex motor?
Figura 3 - A posição dos eléctrodos sobre o crânio num EEG externo.

Fig. 3 - A posição dos eléctrodos sobre o crânio num EEG externo. Este tipo de técnica ainda não tem a precisão necessária para recolha de informação que irá operar uma prótese mecânica

Cada neurónio motor gera um sinal de maior intensidade quando o movimento se dá numa certa direcção, a preferencial. Num braço, por exemplo, a intensidade do sinal eléctrico é máxima quando o movimento ocorre na direcção preferencial. Quando o braço se move numa outra direcção, a intensidade diminui proporcionalmente ao coseno do ângulo entre a direcção preferencial e essa nova direcção. Portanto é essencial, ao desenvolver um BMI, conseguir informação da actividade de muitos neurónios individualmente. Para este efeito actualmente existem os microeléctrodos, capazes de obter sinais de vários neurónios individuais, ou EEGs intracraniais. No entanto, procuram-se ainda outras formas menos invasivas de obter esta informação, como, por exemplo, a utilização de EEGs externos. O uso destes ainda não é possível porque um sinal eléctrico obtido com esta técnica é proveniente da soma da actividade eléctrica de muitos neurónios. Consequentemente a precisão deste método não é suficiente para comandar um dispositivo artificial, como, por exemplo, um braço robótico.

Como se controla o dispositivo artificial?

É claro que mesmo que se obtenham os sinais neuronais estes não podem ser imediatamente utilizados para controlar um dispositivo artificial. Em primeiro lugar é necessário ver qual a relação entre a actividade do córtex motor e os movimentos. Isto consegue-se medindo a actividade cerebral ao mesmo tempo que se processam os movimentos. Como, para cada direcção de movimento, se tem um padrão diferente da actividade neuronal consegue-se, obtendo um sinal neuronal, saber qual o movimento pretendido. Assim, cada sinal eléctrico do córtex motor determina a posição seguinte do dispositivo mecânico. Obtendo uma sequência de vários sinais obtém-se assim também uma sequência de posições do dispositivo, surgindo então o movimento mecânico. Em meados dos anos 90, Miguel Nicolelis e John Chapin ensinaram um rato a controlar uma alavanca com os seus pensamentos.

Figura 4 - Um rato aprende a controlar um computador com o seu cérebro

Fig. 4 - Um rato aprende a controlar um computador com o seu cérebro

Como se vê na figura 4, quando o rato pressionava a alavanca, chegava à gaiola uma gota de água. O rato repetiu esta sequência várias vezes, enquanto se analisavam os seus padrões neuronais. Posteriormente, desligou-se a ligação entre a alavanca e o aparelho que distribuía a água. Assim, a única ligação entre o rato e o aparelho não era física: era cerebral. A princípio, o rato, desesperado, pressionava repetitivamente mas a água não chegava à gaiola. Mas numa destas tentativas, o aparelho respondeu e a água chegou-lhe: o padrão neuronal tinha sido idêntico àquele que se tinha obtido anteriormente. Pouco a pouco, o rato apercebeu-se de que não precisava de fazer o movimento físico de pressionar a alavanca: bastava-lhe pensar para conseguir que a gota de água lhe chegasse. O controlo dum dispositivo artificial, apesar de parecer extraordinário, tem uma explicação relativamente simples. Tal como aprendemos a controlar um braço ou uma perna quando somos pequenos, é possível aprender a controlar um robot através dum . Aos poucos, será possível ir testando o dispositivo artificial, literalmente aprendendo a controlá-lo. É aqui que a informação visual tem muita importância. Quando é possível ver a trajectória real do instrumento mecânico e compará-la com a pretendida, torna-se mais fácil a correcção desta. Assim, a aprendizagem torna-se mais rápida e a utilização do robot mais eficaz. Depois dos ratos, Nicolelis e Chapin começaram as suas experiências em macacos. O primeiro sucesso foi conseguido em 2000, quando conseguiram que um macaco controlasse dois braços robóticos com os seus pensamentos. Um destes braços encontrava-se na sala ao lado da sala onde estava o macaco, enquanto que o outro encontrava-se a 1000km de distância. Para este segundo braço robótico a informação foi transmitida através da Internet.

Figura 5 - Um macaco controla dois braços robóticos através de um BMI

Fig. 5 - Um macaco controla dois braços robóticos através de um BMI

Em 2001 Nicolelis e Chapin começaram a trabalhar com outros macacos, tendo estes que manipular um de maneira a acertar em alvos num ecrã com um cursor. Depois do macaco ter compreendido o sistema, começaram a desligar a ligação entre o e o computador em cerca de 30% dos alvos, sendo então a única ligação, entre o cursor e o macaco, o seu cérebro. A certa altura o macaco percebeu o que se passava, e deixou quase totalmente de fazer movimentos com a mão.

Verificaram também que, como o macaco podia ver o percurso do cursor, o BMI fazia previsões melhores do percurso do cursor. Uma explicação para isto é que o macaco podia ir corrigindo a trajectória à medida que o cursor se movia.

BMIs e o Futuro
Figura 6 - O Futuro

Fig. 6 - O Futuro

No futuro mais próximo, enquanto ainda não é possível fazer a regeneração controlada de tecido nervoso com células estaminais, os terão um papel essencial no restabelecimento de funções motoras num doente paralisado. Por exemplo, poderão ser utilizados para controlar uma cadeira de rodas, ou até um membro mecânico, utilizando só os pensamentos do doente. Num futuro mais longínquo, é possível que os tenham a capacidade de, a partir do dispositivo artificial, transmitir informação táctil ao cérebro. Com esta tecnologia, um doente que tenha tido um braço amputado poderia, ao agarrar num objecto com um dispositivo artificial, determinar a consistência do objecto, a sua textura. Assim, saberia qual a força a aplicar para levantá-lo, por exemplo. (Na prática, isto corresponderia a ter um complementar, do primeiro tipo). Os avanços tecnológicos dos últimos anos nesta área de ultrapassaram as expectativas de muitos. E ainda assim é, por vezes, difícil acreditar que se conseguiu chegar tão longe. Mas a realidade é que a nova geração de próteses (e não só) está aí a chegar.

Autor: Sofia d’Orey (LEBM)

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