quarta-feira, 19 de maio de 2021

A INTERFACE CÉREBRO-COMPUTADOR PERMITE A DIGITAÇÃO MAIS RÁPIDA ATÉ O MOMENTO[1]

 

Simon Makin[2] - 21 de fevereiro de 2017

 

Um novo sistema de interface permitiu que três indivíduos paralisados ​​digitassem palavras até quatro vezes mais rápido do que a velocidade demonstrada em estudos anteriores

 

Dez anos atrás, a vida de Dennis Degray mudou para sempre quando ele escorregou e caiu enquanto jogava o lixo na chuva. Ele pousou no queixo, causando uma grave lesão na medula espinhal que o deixou paralisado abaixo do pescoço. Agora ele é o principal participante de um teste investigativo de um sistema que visa ajudar pessoas com paralisia a digitar palavras usando apenas seus pensamentos.

A promessa de interfaces cérebro-computador (BCIs) para restaurar a função para pessoas com deficiência tem motivado pesquisadores por décadas, mas poucos dispositivos estão prontos para uso prático generalizado. Existem vários obstáculos, dependendo da aplicação. Para a digitação, no entanto, uma barreira importante tem sido atingir velocidades suficientes para justificar a adoção da tecnologia, que geralmente envolve cirurgia. Um estudo publicado terça-feira na eLife relata os resultados de um sistema que permitiu que três participantes ‒ Degray e duas pessoas com Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA, ou doença de Lou Gehrig, uma doença neurodegenerativa que causa paralisia progressiva) ‒ digitassem nas velocidades mais rápidas já alcançadas usando um BCI ‒ velocidades que trazem a tecnologia ao alcance de ser útil na prática. “Estamos nos aproximando da metade do que, por exemplo, eu provavelmente poderia digitar em um telefone celular”, diz o neurocirurgião e coautor Jaimie Henderson, da Universidade de Stanford.

Os pesquisadores mediram o desempenho usando três tarefas. Para demonstrar o desempenho no cenário mais natural possível, uma participante foi avaliada em uma tarefa de “digitação livre”, onde apenas respondia às perguntas por meio do aparelho. Mas as velocidades de digitação são medidas convencionalmente usando a digitação de cópia, que envolve digitar frases definidas, portanto, todos os três participantes também foram avaliados dessa forma. A mulher que executou a tarefa de digitação livre alcançou mais do que seis palavras por minuto, a outra paciente com ELA conseguiu quase três e Degray atingiu quase oito. O grupo relatou resultados comparáveis ​​em um estudo da Nature Medicine em 2015, mas esses resultados foram obtidos usando um software que explorou as estatísticas do inglês para prever as letras subsequentes. Nenhum software foi empregado neste estudo.

A desvantagem da digitação de cópia é que o desempenho pode variar com as frases específicas e os layouts de teclado usados. Para obter uma medida independente de qualquer um desses fatores, a terceira tarefa envolveu a seleção de quadrados em uma grade de seis por seis à medida que iluminavam aleatoriamente. Isso chega mais perto de quantificar a velocidade máxima com que o sistema pode produzir informações e é facilmente convertido em uma medida digital de “bits por segundo”. A equipe utilizou essa gama de tarefas, sem software preditivo, pois um dos objetivos centrais do estudo era desenvolver medidas padronizadas. “Precisamos estabelecer medidas para que ‒ apesar da potencial variabilidade entre pessoas, métodos e pesquisadores ‒ possamos realmente dizer, 'claramente este novo avanço levou a um desempenho superior', porque temos formas sistemáticas de comparar isso”, diz o coautor principal Chethan Pandarinath, então com um pós-doutorado em Stanford.

Os dois pacientes com ELA alcançaram 2,2 e 1,4 bits por segundo, respectivamente, mais do que o dobro dos registros anteriores (mantidos por esses mesmos participantes em um estudo anterior deste grupo). O Degray atingiu 3,7 bits por segundo, o que é quatro vezes mais rápido do que a melhor velocidade anterior. “Este é um salto muito grande no desempenho em comparação aos estudos clínicos anteriores de BCIs”, diz Pandarinath.

Outros pesquisadores concordam que esses resultados são de última geração. “Esta é a digitação mais rápida que alguém mostrou com um BCI”, diz a engenheira biomédica Jennifer Collinger, da Universidade de Pittsburgh, que não esteve envolvida no estudo. “Está no mesmo nível de tecnologias como rastreadores oculares, mas existem grupos para os quais essas tecnologias não funcionam, como pessoas que estão presas”. Essas velocidades também se aproximam do que os pacientes com ELA questionados em uma pesquisa disseram que gostariam de um dispositivo BCI. “Você está chegando ao ponto em que o desempenho é bom o suficiente para que os usuários realmente desejem”, diz Collinger.

Os participantes tiveram uma ou duas matrizes de eletrodos minúsculos (um sexto de polegada) implantados nas superfícies de seus cérebros. Esses implantes “intracorticais” contêm 96 microeletrodos que penetram de um a 1,5 milímetros nas partes do córtex motor que controlam os movimentos do braço. Duas das cirurgias foram realizadas por Henderson, que codirige o Laboratório de Próteses Neurais de Stanford com o coautor sênior do estudo, o bioengenheiro Krishna Shenoy. Os sinais neurais gravados pelos eletrodos são transmitidos por meio de um cabo para um computador onde algoritmos desenvolvidos no laboratório de Shenoy decodificam as intenções do participante e traduzem os sinais em movimentos de um cursor de computador. A equipe de Stanford faz parte de um consórcio de vários institutos chamado BrainGate, que inclui o Massachusetts General Hospital e a Brown University, entre outros.

Outros métodos de interface com o cérebro por meio de eletrodos incluem aqueles colocados no couro cabeludo para eletroencefalografia (EEG) e aqueles colocados sob o crânio na superfície do cérebro, conhecidos como eletrocorticografia (ECoG). A vantagem dos implantes intracorticais é que eles podem detectar a atividade de células individuais, enquanto os outros métodos capturam a atividade média de milhares de neurônios. “Este desempenho é 10 vezes melhor do que qualquer coisa que você obteria de EEG ou ECoG, [que não] contêm informações suficientes para fazer esse tipo de tarefa neste nível”, diz o neurobiologista Andrew Schwartz, da Pitt, que não esteve envolvido em o estudo. O movimento e a cicatriz reduzem a qualidade do sinal ao longo dos primeiros dois anos após a implantação, mas o que resta ainda é útil ‒ “muito melhor do que você consegue com qualquer outra técnica”, diz ele.

A maior desvantagem, atualmente, é ter fios saindo da cabeça das pessoas e presos a cabos, o que é complicado e apresenta riscos. “O futuro é tornar esses dispositivos sem fio”, diz Pandarinath. “Ainda não chegamos lá com as pessoas, mas provavelmente estamos a cinco ou dez anos de distância, e esse é um passo crítico [em direção a] um dispositivo com o qual você poderia mandar alguém para casa e ficar menos preocupado com riscos potenciais como infecção”. Os dispositivos precisariam de energia sem fio, mas vários grupos já estão trabalhando nisso. “A maior parte da tecnologia está basicamente lá”, diz Schwartz. “Você pode fazer isso indutivamente usando bobinas ‒ como carregar seu telefone celular sem fio em uma base com bobinas de cada lado”.

A equipe atribui as melhorias a melhores algoritmos de decodificação e engenharia de sistemas. “Executar cálculos repetidos rapidamente é crítico em um sistema de controle em tempo real”, diz Pandarinath. Os pesquisadores publicaram um estudo no ano passado, liderado pelo bioengenheiro de Stanford, Paul Nuyujukian. Nele, eles treinaram dois macacos para realizar uma tarefa semelhante ao exercício de grade usado neste estudo. Os animais digitavam frases selecionando caracteres em uma tela à medida que mudavam de cor (embora eles não entendessem o que as palavras significavam). Quando a equipe adicionou um algoritmo separado para detectar a intenção dos macacos de parar, sua melhor velocidade aumentou em duas palavras por minuto.

Este “decodificador de clique discreto” também foi usado no estudo atual. “Basicamente, criamos uma interface de 'apontar e clicar' aqui, como um mouse. Essa é uma boa interface para coisas como smartphones ou tablets modernos”, diz Pandarinath, que abriria um novo domínio de funções além da comunicação: navegar na web, tocar música, todos os tipos de coisas que as pessoas saudáveis ​​consideram garantidas”.

A equipe de Stanford já está investigando a tecnologia sem fio e tem metas ambiciosas de longo prazo para o projeto. “A visão que esperamos alcançar algum dia seria ser capaz de conectar um receptor sem fio a qualquer computador e usá-lo usando seu cérebro”, diz Henderson. “Um dos nossos principais objetivos é permitir o controle 24 horas por dia, sete dias por semana, 365 dias por ano de uma interface de computador padrão usando apenas sinais cerebrais”.

 



[2] Simon Makin é um escritor freelance de ciências que mora em Londres.

 

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