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”.
[1] https://www.scientificamerican.com/article/brain-computer-interface-allows-speediest-typing-to-date/
[2] Simon Makin é um escritor freelance de ciências que
mora em Londres.
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