BrainGate: Primeiro uso humano da interface cérebro-computador sem fio de banda larga





Um participante do teste clínico BrainGate usa transmissores sem fio que substituem os cabos normalmente usados para transmitir sinais de sensores dentro do cérebro


A interface cérebro-máquina braingate é capaz de transmitir sinais a partir de uma única resolução de neurônios com fidelidade total de banda larga sem amarrar fisicamente o usuário a um sistema de decodificação.

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 investigativos usados em ensaios clínicos exigiram cabos para conectar a matriz de sensoriamento no cérebro a computadores que decodificam os sinais e os usam para conduzir dispositivos externos.

Agora, pela primeira vez, os participantes do teste 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 em resolução de um único neurônio e em plena fidelidade de banda larga 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 pouco mais de 1,5 onças. A unidade fica em cima 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 que os sistemas com fio, e os participantes alcançaram velocidades semelhantes de precisão de ponto e clique e digitação.

"Demonstramos que esse sistema sem fio é funcionalmente equivalente aos sistemas com fio que têm sido o padrão ouro no desempenho do BCI há anos", disse John Simeral, professor assistente de engenharia (pesquisa) da Brown University, membro do consórcio de pesquisa BrainGate e principal autor do estudo.

"Os sinais são gravados e transmitidos com fidelidade adequadamente 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 ser fisicamente amarradas 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 grande objetivo na pesquisa do BCI: um sistema intracortical totalmente implantável que auxilia na restauração da independência para as pessoas que perderam a capacidade de se mover. Embora dispositivos sem fio com largura de banda mais baixa tenham sido relatados anteriormente, este é o primeiro dispositivo a transmitir todo o espectro de sinais gravados por um sensor intracortical. Esse sinal sem fio de alta banda larga permite pesquisas clínicas e neurociência humana básica que é muito mais difícil de realizar com BCIs com fio.

O novo estudo demonstrou algumas dessas novas possibilidades. Os participantes do teste - um homem de 35 anos e um homem de 63 anos, ambos paralisados por lesões na medula espinhal - foram capazes de usar o sistema em suas casas, em oposição ao ambiente de laboratório onde ocorre a maioria das pesquisas do BCI. Sem ônus por 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 Ciência do Cérebro de Brown e líder do estudo clínico BrainGate. "Com esse sistema, somos capazes de olhar para a atividade cerebral, em casa, por longos períodos de uma maneira que era quase impossível antes. Isso nos ajudará a projetar algoritmos de decodificação que preveem a restauração perfeita, 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 Brown's School of Engineering. Apelidado de Brown Wireless Device (BWD), ele foi projetado para transmitir sinais de alta fidelidade enquanto desenhava energia mínima. No presente estudo, dois dispositivos usados juntos registraram sinais neurais a 48 megabits por segundo de 200 eletrodos com uma vida útil da bateria de mais de 36 horas.

Embora o BWD tenha sido usado com sucesso por vários anos em pesquisas básicas de neurociência, testes adicionais e permissão regulatória foram necessários antes de usar o sistema no teste 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 empurra 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 da próxima geração de neurotecnologias, como interfaces eletrônicas sem fio totalmente implantadas de alta densidade para o cérebro."

O novo estudo marca outro avanço significativo por pesquisadores do consórcio BrainGate, um grupo interdisciplinar de pesquisadores das universidades brown, stanford e case western reserve, bem como o Providence Veterans Affairs Medical Center e o Massachusetts General Hospital.

Em 2012, a equipe publicou uma pesquisa histórica na qual os participantes do ensaio clínico puderam, pela primeira vez, operar próteses robóticas multidimensionais usando um BCI. Esse trabalho tem sido seguido por um fluxo constante de refinamentos para o sistema, bem como novos avanços clínicos que permitiram que as pessoas digitassem em computadores, usassem aplicativos de tablets e até mesmo movessem seus próprios membros paralisados.

"A evolução dos BCIs intracorticais de exigir um cabo de fio para, em vez disso, usar um transmissor sem fio em miniatura é um grande passo para o uso funcional de interfaces neurais totalmente implantadas e de alto desempenho", disse a coautora do estudo Sharlene Flesher, que foi bolsista de pós-doutorado em Stanford e agora é engenheira de hardware na Apple. "À medida que o campo caminha para reduzir a largura de banda transmitida, preservando a precisão do controle de dispositivos assistivos, este estudo pode ser um dos poucos que captura toda a amplitude dos sinais corticais por longos períodos de tempo, inclusive 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 à mão para manter a conexão com fio, a equipe do BrainGate foi capaz de continuar seu trabalho durante a pandemia COVID-19.

"Em março de 2020, ficou claro que não seríamos capazes de visitar as casas de nossos participantes da pesquisa", disse Hochberg, que também é neurologista de cuidados críticos no Hospital Geral de Massachusetts e diretor do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Reabilitação v.A. para Neurorestoração e Neurotecnologia. "Mas treinando os cuidadores como estabelecer a conexão sem fio, um participante do teste pôde usar o BCI sem que os membros da nossa equipe errem fisicamente. Então, não só conseguimos continuar nossa pesquisa, como essa tecnologia nos permitiu continuar com toda a largura de banda e fidelidade que tínhamos antes."

Simeral observou que: "Várias empresas entraram maravilhosamente no campo BCI, e algumas já demonstraram o uso humano de sistemas sem fio de baixa largura de banda, incluindo alguns que são totalmente implantados. Neste relatório, estamos entusiasmados por ter usado um sistema sem fio de alta largura de banda que avance as capacidades científicas e clínicas para sistemas futuros."

Notas

Brown tem um acordo de licenciamento com a Blackrock Microsystems para disponibilizar o dispositivo para pesquisadores de neurociência em todo o mundo. A equipe do 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.

Financiamento: O trabalho foi apoiado em parte pela NIH BRAIN Initiative – NINDS (UH2NS095548), pelo Departamento de Assuntos dos Veteranos (N9228C, N2864C, A2295R, B6453R, P1155R); NIH-NIDCD (R01DC009899, R01DC014034); NIH-NIBIB (R01EB007401); o Comitê Executivo de Pesquisa (ECOR) do Hospital Geral de Massachusetts; Instituto MGH-Deane; REPARO DA DARPA; Instituto de Neurociências Wu Tsai em Stanford; Larry e Pamela Garlick; Samuel e Betsy Reeves; o Instituto Médico Howard Hughes na Universidade de Stanford e a Paralisia Conquista agora (004698).

“Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia” by Arto Nurmikko et al. IEEE Transactions on Biomedical Engineering


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