BCI sem fio de alta largura de banda demonstrado em humanos pela primeira vez

Imagem estilizada de um cérebro com uma cabeça humana.
Prolongar / O consórcio de pesquisa BrainGate fez o primeiro uso humano de uma interface cérebro-computador sem fio de alta largura de banda, permitindo que participantes de ensaios clínicos tetraplégicos usassem o dispositivo sem serem amarrados por um cabo.

Na esteira do anúncio do Neuralink no início deste mês – com um vídeo mostrando um macaco jogando Pong com sua mente, graças a um implante de cérebro sem fio – pesquisadores do BrainGate Consortium demonstraram com sucesso uma interface de cérebro – Computador sem fio de banda larga (BCI) em dois quadriplégicos Sujeitos humanos. Os pesquisadores descreveram seu trabalho em um artigo recente publicado na revista IEEE Transactions in Biomedical Engineering.

Os BCIs interagem com as células cerebrais, registrando a atividade elétrica dos neurônios e traduzindo esses sinais em ação. Esses sistemas normalmente envolvem sensores de eletrodo para registrar a atividade neural, um chipset para transmitir os sinais e algoritmos de computador para traduzir os sinais. Os BCIs podem ser externos, semelhantes aos EEGs médicos, pois os eletrodos são colocados no couro cabeludo ou na testa com uma capa que pode ser vestida; ou podem ser implantados diretamente no cérebro. Os primeiros são menos invasivos, mas podem ser menos precisos porque há mais ruído interferindo nos sinais; estes requerem cirurgia cerebral, o que pode ser arriscado.

BrainGate é um dispositivo implantado, usado em esforços de pesquisa voltados para o tratamento de pacientes com lesão da medula espinhal ou doença de Lou Gehrig. Em 2012, dois indivíduos paralisados ​​com implantes BrainGate controlaram com sucesso um braço robótico; desde então, os sujeitos puderam digitar em computadores e usar aplicativos de tablets. Este sistema BrainGate usa um grande cabo cinza, conectando a rede de sensores instalados com os computadores externos que decodificam os sinais. Isso limitou a utilidade do sistema, pois os técnicos precisam estar no local durante a operação e levar o cabo com eles ao encerrar uma sessão.

É por isso que a maioria das pessoas que trabalham no campo BCI está procurando recursos sem fio. Muitos sistemas externos baseados em capas sem fio estão disponíveis para uso em laboratório, são menos invasivos do que os sistemas implantados e têm largura de banda menor. Isso torna a capacidade sem fio de um BCI um desafio de engenharia mais simples, de acordo com John Simeral, da Brown University, membro do consórcio BrainGate e principal autor do novo artigo.

O neurocientista Nick Ramsey foi o pioneiro da Utrecht Neuroprosthesis, um sistema de baixa largura de banda no qual eletrodos são colocados no cérebro de um paciente através de pequenos orifícios em seu crânio. Um pequeno transmissor abaixo da clavícula recebia os sinais dos eletrodos por meio de fios subcutâneos, amplificava-os e transmitia-os sem fio, permitindo ao paciente (imobilizado pela doença de Lou Gehrig) operar um computador de voz.

“[The Utrecht NeuroProsthesis] é baseado em um dispositivo clínico existente que tem apenas alguns eletrodos, mas é o suficiente para alguém sem movimento comandar um ‘sim’ ou um ‘não’ “, disse Simeral a Ars.” A diferença é que a largura de banda é muito baixa. É um botão liga / desliga e não é o que procuramos. Podemos fornecer uma conexão sem fio que alguém pode usar para controlar um computador, assim como você e eu, e obter todos os benefícios dela. Isso é realmente o que há de novo aqui: essa ideia de ter uma gravação totalmente implantada no córtex que dá os detalhes do que está acontecendo no nó neural. “

Pager, um Macaca de 9 anos, joga MindPong com seu Neuralink.
Prolongar / Pager, um Macaca de 9 anos, joga MindPong com seu Neuralink.

Quanto ao mais recente avanço do Neuralink, John Timmer, editor da Ars Science, escreveu na semana passada que a maioria das peças individuais do feito do Neuralink já havia sido alcançada – em alguns casos, uma década antes (BrainGate é um desses pioneiros). Mas a empresa deu dois passos importantes para alcançar um BCI comercial: miniaturizar o dispositivo e fazer com que ele se comunique sem fio, o que é mais difícil do que parece.

Por John:

Um dos grandes obstáculos é o fato de que mesmo um único neurônio produz um parcela De dados. Em vez de adotar seus próprios estados de ativação e desativação, os neurônios tendem a ter um nível de atividade de fundo, produzindo uma cadeia aleatória de picos de atividade, mesmo quando estão quietos. E quando ativados, eles simplesmente produzem uma explosão intensa de picos em vez de entrar em um estado claro “ligado”. Para uma equipe de pesquisa que está tentando entender como os neurônios se comunicam por meio desses picos de atividade, registrar todos os seus detalhes é essencial, e fazer isso para mais do que um punhado de neurônios requer uma conexão de alta largura de banda com os eletrodos do cérebro. O Neuralink, no entanto, não precisa necessariamente de todos os detalhes, e a empresa decidiu compactar os dados simplesmente registrando a frequência com que um pico ocorreu.

De acordo com Simeral, o sistema sem fio BrainGate faz a compensação inversa – maior largura de banda e fidelidade – porque deseja todos os detalhes mais sutis dos dados para sua pesquisa em andamento. Nesse sentido, complementa os sistemas Utrecht e Neuralink no espaço BCI. O novo sistema BrainGate é baseado no chamado Brown Wireless Device (BWD), projetado por Arto Nurmikko, e substitui os cabos por um pequeno transmissor que pesa cerca de 1,5 onças. O transmissor fica no topo da cabeça do usuário e se conecta sem fio a uma série de eletrodos de implante dentro do córtex motor.

(l) Um participante do ensaio clínico BrainGate usa transmissores sem fio que substituem os cabos normalmente usados ​​para transmitir sinais de sensores dentro do cérebro.  (r) O dispositivo sem fio permite a transmissão de sinais cerebrais de banda larga enquanto consome uma pequena quantidade de energia.  As baterias duram até 36 horas.
Prolongar / (l) Um participante do ensaio clínico BrainGate usa transmissores sem fio que substituem os cabos normalmente usados ​​para transmitir sinais de sensores dentro do cérebro. (r) O dispositivo sem fio permite a transmissão de sinais cerebrais de banda larga enquanto consome uma pequena quantidade de energia. As baterias duram até 36 horas.

BrainGate / Lawn Lab / Brown University

Havia dois participantes no ensaio clínico – um homem de 35 anos e um homem de 65 anos – ambos paralisados ​​por lesões na medula espinhal. Eles puderam usar o BCI continuamente por 24 horas, mesmo durante o sono, resultando em dados contínuos ao longo desse período. (A bateria de grau médico dura 36 horas.)

“Podemos aprender mais sobre os sinais neurais desta forma porque podemos gravar por longos períodos de tempo”, disse Simeral. “E também podemos começar a aprender um pouco mais sobre como as pessoas realmente usarão o sistema, tendo a liberdade para fazê-lo.” Sua equipe ficou encorajada pelo fato de que um dos participantes do estudo frequentemente perguntava se eles poderiam deixar os transmissores sem fio ligados um pouco mais. Ele tem um rastreador de cabeça que pode usar como reserva, mas várias noites por semana ele escolhe usar o sistema sem fio BrainGate porque o ama.

“No momento, normalmente decodificamos ou interpretamos o pico de atividade das redes neurais”, disse Simeral. “Existem outros mecanismos de codificação que foram estudados no cérebro que têm a ver com a forma como as oscilações no cérebro se relacionam com esses sinais de pico. Há informações nas diferentes frequências de oscilação. Que podem estar relacionadas, por exemplo, ao estado de sono, para o estado de atenção, outro fenômeno que está perto de nossos corações. Sem um registro contínuo, você desistiu da possibilidade de aprender mais sobre qualquer um deles. Aprender como tudo acontece no cérebro humano em casa conforme as pessoas se comportam e pensar de forma diferente requer um sistema de banda larga gravando do cérebro humano.

“A possibilidade de pessoas com deficiência usarem esses sistemas em casa sob demanda, acho que é um grande passo em frente”, disse Simeral. “De forma mais ampla, avançar, ter mais jogadores no terreno, ter mais financiamento, é importante. Não vejo nada além de grandes coisas em todas essas interações. Para o nosso próprio trabalho, vemos coisas no horizonte que eram impossíveis cinco anos atrás, quando quase não havia ninguém no mundo corporativo interessado neste espaço. Então, acho que é um momento muito promissor. “

DOI: IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2021. 10.1109 / TBME.2021.3069119 (About DOIs).

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