Sinais cerebrais decodificados para determinar o que uma pessoa vê

Quando a atividade neuronal aumenta em qualquer região do cérebro, o sangue oxigenado corre para alimentar a atividade. HD-DOT usa luz para detectar a onda de sangue

A detecção e decodificação da atividade em regiões cerebrais associadas ao processamento visual permitiu que os pesquisadores determinassem o que uma pessoa vê.

Algumas pessoas estão presas em suas próprias mentes, capazes de pensar e sentir, mas incapazes de se expressar porque lesões cerebrais ou doenças danificaram suas linhas de comunicação com o mundo exterior.

Como um passo para ajudar as pessoas em tais situações a se comunicarem, cientistas da Faculdade de Medicina da Universidade de Washington, em St. Louis, demonstraram que podem usar a luz para detectar o que está acontecendo dentro da cabeça de alguém. Os pesquisadores usam luz LED transportada do lado de fora da cabeça para dentro para detectar atividade na área do cérebro responsável pelo processamento visual e, em seguida, decodificar sinais cerebrais para determinar o que a pessoa vê. Realizar esse feito exigiu o desenvolvimento de ferramentas de neuroimagem e técnicas de análise que movem o campo um passo mais perto de resolver o problema muito mais complexo da linguagem de decodificação.

O estudo, disponível online na revista NeuroImage, demonstra que a tomografia óptica difusa de alta densidade (HD-DOT) — uma tecnologia de imagem cerebral não invasiva, vestível e baseada em luz — é sensível e precisa o suficiente para ser potencialmente útil em aplicações como comunicação aumentada que não são adequadas a outros métodos de imagem.

"A ressonância magnética pode ser usada para decodificação, mas requer um scanner, e você não pode esperar que alguém vá deitar em um scanner toda vez que quiser se comunicar", disse o autor sênior Joseph P. Culver, PhD, professor de Radiologia de Sherwood Moore no Instituto de Radiologia Mallinckrodt daUniversidade deWashington. "Com esse método óptico, os usuários poderiam sentar em uma cadeira, colocar uma tampa e potencialmente usar essa tecnologia para se comunicar com as pessoas. Ainda não chegamos lá, mas estamos progredindo. O que mostramos neste artigo é que, usando tomografia óptica, podemos decodificar alguns sinais cerebrais com uma precisão acima de 90%, o que é muito promissor."

Quando a atividade neuronal aumenta em qualquer região do cérebro, o sangue oxigenado corre para alimentar a atividade. HD-DOT usa luz para detectar a onda de sangue. Os participantes usam uma tampa equipada com dezenas de fibras que retransmitem luz de pequenos LEDs para a cabeça. Depois que a luz é transmitida através da cabeça, os detectores captam mudanças dinâmicas nas cores do tecido cerebral como resultado de alterações no fluxo sanguíneo.

Culver, primeiro autor e estudante de pós-graduação Kalyan Tripathy, e colegas se propus a avaliar o potencial do HD-DOT para decodificar sinais cerebrais. Eles começaram com o sistema visual porque é uma das funções cerebrais mais bem compreendidas. Neurocientistas há muito tempo elaboraram um mapa detalhado da parte visual do cérebro, mostrando aos participantes piscando padrões de tabuleiro de xadrez em uma tela e identificando as unidades 3D, conhecidas como voxels, no cérebro que se tornaram ativas em resposta a cada padrão. A decodificação é a tentativa de reverter o processo: detectar voxels ativos e, em seguida, deduzir qual padrão de tabuleiro de xadrez desencadeou esse padrão de atividade cerebral.

"Sabemos o que o participante está vendo, para que possamos verificar o quão bem nossa decodificação corresponde à realidade", disse Culver, também professor de física, engenharia elétrica e de sistemas e de engenharia biomédica. "Ao ir para algo que foi bem validado, poderíamos otimizar o design experimental, pressionar mais nas estatísticas da decodificação e obter desempenho que é realmente muito alto."

Os pesquisadores começaram simples. Eles recrutaram cinco participantes para várias corridas de cinco a dez minutos em que os participantes foram mostrados um padrão de tabuleiro de xadrez no lado esquerdo ou direito do campo visual por alguns segundos de cada vez, intercalados com pausas durante as quais nenhuma imagem foi mostrada.

Usando uma execução como modelo, os pesquisadores analisaram os dados de outra corrida para determinar quando o tabuleiro de verificação estava em que lado da tela. Eles repetiram esta análise usando diferentes corridas como modelo e o teste até que eles tinham analisado todos os pares possíveis.

Os pesquisadores conseguiram identificar a posição correta do tabuleiro de xadrez — esquerda, direita ou não visível — com 75% a 98% de precisão. Embora a decodificação tenha sido mais bem sucedida quando a mesma pessoa foi usada para a execução do modelo e a execução do teste, os padrões de uma pessoa poderiam ser usados para decodificar a atividade cerebral de outra pessoa.

Áreas na parte de trás do cérebro ficam ativas quando uma pessoa olha para uma imagem. Pesquisadores da Faculdade de Medicina da Universidade de Washington, em St. Louis, usaram a luz para decodificar sinais cerebrais e identificar que imagem uma pessoa vê.

Então, os pesquisadores tornaram o problema mais complexo. Eles mostraram aos participantes uma cunha de tabuleiro de xadrez que girava a 10 graus por segundo. Três participantes participaram de seis corridas de sete minutos em dois dias separados. Usando o mesmo modelo e estratégia de test run, os pesquisadores conseguiram identificar a posição da cunha dentro de 26 graus.

Os resultados são um primeiro passo para o objetivo final de facilitar a comunicação para pessoas que lutam para se expressar por causa de paralisia cerebral, derrame ou outras condições que resultam em síndrome de encarceramento, disseram os pesquisadores.

"Parece um grande salto, de tabuleiros de xadrez para descobrir que palavras alguém está verbalizando internamente para si mesmo", disse Culver. "Mas muitos dos princípios são os mesmos. O objetivo é ajudar as pessoas a se comunicarem, e o que aprendemos decodificando esses estímulos visuais é um passo sólido em direção a esse objetivo."

Financiamento: Este trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), números de subvenções U01EB027005 e R01NS090874; e pela Fundação McDonnell.

“Decoding visual information from high-density diffuse optical tomography neuroimaging data” by Tripathy K, Markow ZE, Fishell AK, Sherafati A, Burns-Yocum TM, Schroeder ML, Svoboda AM, Eggebrecht AT, Anastasio MA, Schlaggar BL, Culver JP. NeuroImage