27 de maio de 2022  | por Felipe Mateus, para o Jornal da Unicamp

O envelhecimento da população é um desafio que bate à porta de governos, instituições e profissionais que se dedicam a planejar o futuro e cuidar do bem-estar das pessoas. No Brasil, o cenário exige atenção. Um levantamento do Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea, 2021) aponta uma tendência de redução da taxa de fecundidade acompanhada de maior expectativa de vida dos brasileiros. A população, hoje estimada em 210 milhões, chegaria ao ano de 2100 na faixa dos 178 milhões. O grupo de idosos saltaria dos atuais 15% para 30%. Em um cenário de queda abrupta da fecundidade, o Ipea sinaliza uma redução do total da população para 156 milhões de pessoas, sendo que 40% teriam mais de 65 anos.

A qualidade de vida dessas pessoas exige cuidados especiais. Compreender o funcionamento do cérebro pela detecção de seus sinais pode tornar esses cuidados mais personalizados e eficazes. Este é um dos propósitos do Grupo de Neurofísica, que reúne pesquisadores do Instituto de Física “Gleb Wataghin” (IFGW) em parceria com outras unidades da Unicamp.

“Buscamos entender o cérebro e seus processos, como o envelhecimento do órgão. Também buscamos parâmetros que auxiliem no diagnóstico de doenças, na eficácia de um tratamento e nos prognósticos para a evolução de um paciente”, explica Gabriela Castellano, professora do IFGW e integrante do grupo.

Por meio de análises matemáticas de imagens da anatomia cerebral e de mapas funcionais de processos internos do órgão, os pesquisadores conseguem extrair dados importantes para tratamentos médicos. Também desenvolvem e aprimoram tecnologias que podem ser utilizadas em diferentes terapias. Esses avanços têm o potencial de beneficiar desde idosos até pacientes com doenças neuromotoras, vítimas de acidentes, sequelas de AVCs, entre outros.

“A população mundial está envelhecendo, mais pessoas precisam de algum tipo de reabilitação, e não há clínicas e terapeutas suficientes para atender à demanda. Por isso, uma reabilitação que possa ser feita em casa, supervisionada por um terapeuta de forma remota, por exemplo, será algo decisivo”, pontua Castellano.

Respostas para os fenômenos cerebrais

As pesquisas do grupo dividem-se em estudos anatômicos e funcionais. Os primeiros realizam a análise de imagens da anatomia cerebral para identificar patologias e extrair parâmetros para diagnósticos. Já nos estudos funcionais, os pesquisadores acompanham processos cerebrais que ocorrem por um período determinado, avaliando suas causas e consequências. As abordagens são complementares, ou seja, em um estudo funcional podem ser utilizadas uma série de imagens anatômicas.

“São técnicas que permitem avaliar a dinâmica cerebral, verificar as regiões do cérebro associadas a um estímulo que uma pessoa venha a receber, enquanto desempenha uma tarefa, por exemplo, e também analisar como a dinâmica cerebral muda ao longo de um período”, detalha Gabriela Castellano.

Os sinais emitidos pelo cérebro podem ser elétricos, advindos dos impulsos nervosos; hemodinâmicos, com base no fluxo de sangue do órgão; e metabólicos, relativos à composição neuroquímica cerebral. Combinando os sinais captados, é possível criar mapas que mostram o funcionamento do cérebro, quais regiões estão envolvidas em uma determinada atividade ou estímulo e como um determinado fator pode influenciar essa dinâmica.

As imagens são coletadas por ressonância magnética, tomografia óptica ou eletroencefalografia. Essas técnicas se baseiam em diferentes princípios físicos, como o uso de campos magnéticos, a difusão de luz infravermelha através do couro cabeludo e a captação dos sinais elétricos dos neurônios. Por captarem sinais distintos, a combinação de técnicas é frequente. É o caso do método EEG-fMRI, que combina a eletroencefalografia, mais precisa na indicação do momento em que um fenômeno ocorre, com a ressonância magnética, que mostra com maior clareza a região estimulada.

Segundo Gabriela Castellano, o estudo dos fenômenos físicos do cérebro favorece a identificação de padrões que tornam seu funcionamento mais previsível. “Buscamos entender qual a natureza dos eventos do cérebro. São sinais medidos através de fenômenos físicos complexos. Por exemplo, os sinais da ressonância são medidos por campos magnéticos que interagem entre si. Por isso, com um bom entendimento sobre essas medições, sabemos mais sobre os sinais cerebrais e o que esperar deles”.

Máquinas e cérebros

Um aspecto fundamental dos estudos em neurociência é a interdisciplinaridade. Ela exige dos pesquisadores familiaridade com diferentes campos do conhecimento e capacidade de desenvolver parcerias. Ao mesmo tempo, as descobertas impactam diversas áreas. “A neurofísica ultrapassa a interdisciplinaridade. Ela tem características de transdisciplinaridade. Chegamos a um grau em que, se o pesquisador não consegue lidar, de forma relativamente confortável, com diferentes áreas, como a física, a medicina, a computação, dificilmente será possível responder às questões que nos intrigam”, avalia Rickson Mesquita, docente do IFGW e membro do grupo.

Atualmente, o grupo se dedica a abordar a capacidade de interação entre cérebro, computadores e máquinas e ao desenvolvimento de tecnologias que auxiliem na geração de imagens, captação e processamento dos sinais emitidos pelo cérebro. “De modo particular, buscamos soluções para a medicina. Tentamos desenvolver tecnologias e verificar aspectos dos sinais cerebrais que, hoje, os equipamentos não conseguem medir”, pontua Rickson. Os estudos envolvem pesquisadores de diferentes áreas e são realizados em parceria com outras unidades, como o Instituto de Computação (IC), a Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) e o Hospital de Clínicas (HC).

Rickson explica que os equipamentos desenvolvidos para hospitais e clínicas suprem demandas específicas dos profissionais da saúde. Assim, o conhecimento obtido pelos estudos anatômicos e dinâmicos é aplicado na solução de problemas que surgem no contexto clínico.

“Recentemente desenvolvemos uma tecnologia relacionada à Covid-19, um sistema capaz de monitorar a disfunção endotelial a partir da saturação de oxigênio, problema que pode acometer pacientes em casos mais graves. É um sistema a ser usado especificamente em UTIs, e que está em fase de validação clínica”. Outra tecnologia criada pelo grupo e utilizada no HC da Unicamp é o monitor metabólico, que combina diferentes técnicas para medir o fluxo, a oxigenação sanguínea e o metabolismo cerebral de forma não invasiva. Ele facilita o trabalho de profissionais que atuam em unidades de terapia intensiva (UTI).

Já as pesquisas com a interface cérebro-computador exploram o uso de sinais elétricos emitidos pelo cérebro para comandar dispositivos externos, como mover o cursor de um mouse. Mais do que a possibilidade de controlar o computador com a mente, os estudos são promissores para terapias de estimulação do sistema nervoso central.

“Usamos um protocolo chamado Imagética Motora. Ele parte do princípio de que, quando você imagina um movimento do corpo, são ativadas regiões cerebrais muito similares às que atuam quando o movimento é de fato realizado. São áreas bem localizadas, no córtex motor, uma região no centro do cérebro, e os sinais são detectados com certa facilidade”, explica Castellano. Nesses casos, a imaginação do movimento pode ser usada como recurso complementar ao trabalho motor, já que ela estimula a plasticidade cerebral. “Como são ativadas áreas do cérebro muito similares às relacionadas aos movimentos, ocorre uma reorganização dessas regiões e novas sinapses são criadas”.

O desafio agora é criar equipamentos menores, que possam ser inseridos em experiências do cotidiano em que o cérebro executa uma tarefa ou recebe um estímulo. Por exemplo, para medir a atividade cerebral enquanto as pessoas dirigem ou praticam um esporte. “No cotidiano, o cérebro funciona de forma diferente de quando a pessoa é colocada em uma máquina de ressonância magnética. Não é a mesma coisa medir processos cognitivos em um ambiente natural”, comenta Rickson, que acredita que os estudos devem, com isso, tornar-se mais precisos, ampliando o espectro de aplicação das técnicas. “Há impactos em várias áreas, desde a forma como as crianças aprendem até as mudanças na memória conforme as pessoas envelhecem”.

Neurofeedbacks e realidade virtual

Uma das possíveis  aplicações da neurofísica é o chamado treinamento por neurofeedback, vertente da neurociência que ainda demanda pesquisas que comprovem sua eficácia. Ele se apoia na ideia de que o cérebro pode se automodular para desempenhar atividades a partir de feedbacks, geralmente estímulos visuais que mostram a tarefa sendo executada (como o movimento de um cursor para a direita ou para a esquerda em uma tela, por exemplo). Aplicando-se o conceito da imagética motora, o estímulo neural envolvido no movimento, aliado ao feedback visual, seria benéfico à plasticidade cerebral.

Esse foi o estudo realizado por Carlos Stefano Filho em sua Tese de doutoramento, realizada no IFGW. Pesquisador de pós-doutorado ligado ao Grupo de Neurofísica, ele verificou o quanto a resposta cerebral ao treinamento por neurofeedback era observável por meio da eletroencefalografia. O trabalho recebeu o prêmio de melhor Tese do Instituto em 2021. “A ideia foi desenvolver um sistema de detecção da imaginação motora e devolver o feedback dessa atividade, para que isso pudesse orientar o desenvolvimento de estratégias. Em nosso projeto, o feedback ocorria por meio de um cursor na tela do computador, que se movia conforme os padrões de imaginação que esperávamos detectar”, explica.

24 de Janeiro de 2016

Todos nós adoraríamos controlar objetos com o poder da mente. Já imaginou? Você pensa em levantar o copo, o copo levanta. Pensa em trazer o controle remoto para mais perto do sofá e lá vem ele voando em sua direção. Sem esforço, sem suor. Apesar deste tipo de ‘controle cerebral’ ainda ser coisa de ficção científica, avanços incríveis têm sido feitos na área de controle de objetos utilizando apenas a mente. E com aplicações bem mais práticas do que simplesmente levantar o controle remoto!

Com a ajudinha de um computador, já é possível realizar movimentos complexos apenas pensando. Movimentos tão complexo quanto fazer uma cadeira de rodas se mexer, ou um braço robótico pegar objetos para você. A interface cérebro-computador é uma tecnologia fascinante para ajudar pessoas com dificuldades de movimento a ganhar muito mais liberdade e melhor qualidade de vida. Vamos ver alguns exemplos práticos neste texto.

UMA CADEIRA DE RODAS CONTROLADA PELA MENTE

Você deve se lembrar que apresentamos, aqui no Blog do BRAINN, as impactantes pesquisas realizadas no Instituto que permitem controlar uma cadeira de rodas usando apenas o poder do cérebro. Para quem perdeu esta novidade, clique nos links a seguir para ler as matérias.

Teste de protótipo da cadeira de rodas robótica na FEEC/UNICAMP.

A cadeira de rodas robótica sendo desenvolvida pelo BRAINN utiliza uma tecnologia chamada de Interface Cérebro-Computador para funcionar. Trata-se de uma maneira de fazer com que nosso cérebro ‘se comunique’ com uma máquina (o computador) e possa ser compreendido por ela. A partir disso, o computador poderá ser usado como intermediário para realizar diversas ações, como por exemplo controlar a cadeira de rodas.

Se quiser relembrar como a cadeira de rodas do BRAINN é controlada pelo cérebro, clique nos links acima para reler as reportagens. Em termos bem simples, a tecnologia desenvolvida no instituto interpreta sinais visuais como ordens de movimento à cadeira, fazendo-a se movimentar. É algo fascinante e que merece sempre ser relembrado.

Existem, também, outras maneiras de gerar movimento em objetos robóticos a partir de leituras cerebrais. Maneiras que independem de estímulo visual. Para que elas pudessem ser desenvolvidas, cientistas tiveram de compreender primeiro como funciona uma região específica do nosso cérebro: o córtex motor. É isso que veremos a seguir.

NEURÔNIOS DO MOVIMENTO, NEURÔNIOS DO PENSAMENTO

O córtex motor (a ‘fatia’ verde na imagem ao lado) é a região do cérebro que controla nossos movimentos.

Quando fazemos qualquer movimento, neurônios no córtex motor disparam, gerando uma pequena corrente elétrica. Por ser uma região do cérebro mais superficial, é possível usar aparelhos especiais para medir as correntes elétricas aí.

O mais legal dessa história é que o córtex motor está subdividido em seções bem específicas. Isto é, se você movimentar o braço direito, um determinado grupo de neurônios será ativado; se mexer a perna esquerda, outro grupo. Assim, ao mapear a atividade dos neurônios no córtex motor, é possível inferir quais partes do corpo estão se mexendo, com um grau bem alto de certeza.

Tudo isso já é conhecido dos cientistas faz tempo. Mas o córtex motor guarda ainda mais um segredo surpreendente: quando nós pensamos em um movimento – apenas pensamos, e não o realizamos -, grupos específicos de neurônios motores também são ativados! Isso é: se você pensa, por exemplo, em abrir a mão, um grupinho de neurônios no córtex motor dispara, mesmo que você, de fato, não tire a mão do lugar.

Hoje, a cadeira de rodas do BRAINN funciona captando sinais do córtex visual. Veja aqui os diferenciais desta técnica nos links acima!

Essa descoberta abriu um caminho interessante para as pesquisas científicas. Imagine uma pessoa que perdeu os movimentos dos braços. Já pensou se pudéssemos ‘ler’ a mente dela, detectar quais neurônios motores são ativados quando ela pensa em um movimento, e então transmitir estas ‘ordens’ para um equipamento, que simulasse o movimento real?

É essa a ideia – e a tecnologia – básica que poderia ser utilizada em objetos robóticos inteligentes. Pessoas que estão impossibilitadas de se mover – seja em decorrência de um derrame ou de qualquer outro problema de saúde – poderão ser treinadas para pensar em um movimento (do tipo, ‘ir para a frente!’) e, apenas com o pensamento, conseguirão controlar o robô para realizar essa ação. Será uma revolução na qualidade de vida de milhões de pessoas, que hoje sofrem com as limitações que a falta de movimentos traz.

UM FEITO INÉDITO DE MOVIMENTO 3D, CONTROLADO PELA MENTE

O BRAINN faz parte de grupos de pesquisas no mundo inteiro que têm realizado descobertas e feito avanços importantes no campo da Interface Cérebro-Computador. Um ótimo exemplo do que esta tecnologia já pode fazer foi dado no último mês por pesquisadores da Universidade de Minnesota, nos Estados Unidos.

Pela primeira vez, pessoas foram capazes de controlar um braço mecânico robótico em tarefas complexas, em um ambiente de três dimensões. As tarefas incluíam segurar objetos, erguê-los e levá-los de um lugar para o outro. Tudo isso usando apenas o poder do cérebro. E sem implante nenhum.

“Apenas imaginando que estavam mexendo seu próprio braço, elas eram capazes de mover o braço mecânico”, revela, orgulhoso, o professor de engenharia biomédica Bin He, um dos autores do estudo.

Para isso, os voluntários da pesquisa utilizavam uma touquinha especial repleta de eletrodos, capazes de detectar a atividade dos neurônios no córtex motor. Bem similar ao equipamento utilizado, também, pelos pesquisadores do BRAINN. Esses sinais eram transmitidos a um computador, que os decodificava utilizando algoritmos avançados e aprendizagem de máquina, passando depois as ‘ordens’ ao braço robótico.

80 voluntários foram treinados nesse experimento a movimentar o braço robótico usando o pensamento. 80% deles conseguiram a façanha de pegar um objeto colocado em posições randômicas em uma mesa. 70% deles conseguiram não apenas pegar o objeto, mas também colocá-lo em seguida em uma estante de três prateleiras, como mostra a imagem abaixo.

Imagem: Universidade de Michigan

“Isso é muito empolgante, pois todos os voluntários completaram a tarefa usando uma técnica completamente não-invasiva”, disse Bin.

“Nós vemos um grande potencial nessa pesquisa para ajudar pessoas que estão paralisadas ou que tenham doenças neurodegenerativas a se tornarem mais independentes, sem a necessidade de implantes cirúrgicos”, disse o pesquisador.

“Três anos atrás, nós não sabíamos se seria possível mover um braço robótico complexo, fazê-lo pegar e mover objetos utilizando a tecnologia da interface cérebro-computador. Nós ficamos surpresos e muito felizes que isso funcionou com uma taxa de sucesso tão alta”, afirma Bin He.

Será que, em poucos anos, veremos próteses robóticas implementadas em pessoas e sendo controladas apenas com o poder da mente? É um pensamento que já passou pela cabeça de muitos pesquisadores, e estudos nesse sentido já foram iniciados.

Quanto mais estudamos o cérebro, mais ele nos impressiona. Chegamos naquele ponto em que podemos controlar objetos remotamente, apenas pensando em um movimento. É o cérebro trabalhando de mãos dadas com a tecnologia. Isso poderá ajudar milhões de pessoas a conquistar mais liberdade e a superar as debilitantes dificuldades motoras causadas por doenças. Bem mais legal do que a ‘telecinese’ de controle remoto, não é mesmo?

24 de Maio de 2016

por Erik Nardini Medina *

Imagine para uma pessoa com alto grau de limitação motora voltar a ter um pouco mais de independência? Tarefas de diferentes complexidades são possíveis por meio de uma metodologia chamada de BCI. A sigla para Brain Computer Interface, que em bom português significa Interface Cérebro-Computador, está longe de ser assunto novo, mas é uma área que sempre se reinventa a partir de pequenas-grandes conquistas. Nada de ficção por aqui!

O pesquisador André Ferreira do departamento de engenharia elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), conta que uma série de atividades podem ser feitas – por incrível que possa parecer! – usando a força do pensamento, graças a um paradigma chamado de imagética motora.

“Basta você pensar, por exemplo, em mexer a mão direita, ou pensar em mexer os pés. Não precisa executar o movimento (mesmo porque a pessoa às vezes não tem essa capacidade), mas basta imaginar o movimento e o sistema detecta isso. Isso é muito mais intuitivo e você não depende de um estímulo externo, mas requer todo um período de aprendizado”, conta.

Basta que o paciente pense em executar um movimento (inclusive de um membro paralisado) para que o sistema reconheça sua intenção e transmita o comando à máquina.

DE QUE MANEIRA O CÉREBRO SE COMUNICA COM A MÁQUINA?

Mas, para atingir resultados como esses, o cérebro precisa se comunicar sem interferência com o computador, o que acontece em três etapas principais: processamento de sinais, seleção de atributos e classificação.

Resumidamente, a primeira etapa amplifica dados extraídos do cérebro por meio de eletroencefalograma. Na parte dois, os pesquisadores isolam esses dados e, na terceira etapa, os dados são classificados para que possam ser definitivamente reconhecidos pelo computador, como sintetiza o professor doutor Romis Attux, da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

“Processamos basicamente sinais oriundos de eletroencefalografia (EEG). São sinais elétricos, potenciais elétricos medidos na região do escalpo, e a finalidade do processamento é melhorar a qualidade dos sinais de modo que a gente possa depois traduzir a intenção do usuário – que ele vai nos transmitir através do seu cérebro – em um comando, por exemplo para uma cadeira de rodas robótica ou algum outro tipo de destino”, explica Attux, que também é pesquisador do Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology (BRAINN).

DIVERSAS UTILIDADES PARA A TECNOLOGIA

Além da Imagética Motora, que permite que os usuários realizem tarefas apenas pensando no que gostariam de executar, existem outros recursos. Um deles, bastante utilizado, é o SSVEP. Por meio deste método, uma tela de computador emite estímulos luminosos em diferentes frequências. Esses sinais são captados pelo eletroencefalograma e então processados para que o computador compreenda qual tarefa o usuário planeja executar.

Em um exemplo de BCI em ação, o usuário da touca com eletrodos é capaz de controlar, remotamente, o funcionamento do carrinho vermelho. Assista a demonstração no vídeo abaixo.

“[O SSVEP] São os potenciais visuais evocados de estado permanente. Basicamente, se eu colocar um estímulo luminoso numa dada frequência e te apresentar esse estímulo, quando olharmos o EEG na parte occipital do cérebro, que é responsável pela parte visual, você vai ver que naquela frequência de estimulação terá um pico de energia”, analisa Ferreira da UFES, acrescentando:

“O que a gente pode fazer? Eu coloco diferentes ações, cada uma piscando com uma frequência diferente. Por exemplo: coloco uma seta para virar à esquerda, coloco uma frequência de 10 hertz. Uma seta pra virar à direita, uma outra frequência. Então basta o usuário olhar, focar no estímulo visual, o EEG é contaminado por esse estimulo e o software reconhece e executa a ação necessária”.

Com o paradigma SSVEP o usuário transmite suas intenções à máquina fixando o olhar em estímulos luminosos. Ele não precisa fazer nada além disso.

COMANDOS DADOS ATRAVÉS DE UM ‘CAPACETE’ DE ELETRODOS

O professor doutor Romis Attux, do BRAINN.

Para que a BCI aconteça, o usuário fica com eletrodos conectados à cabeça (como nas fotos acima). Esses dispositivos são acoplados do lado externo, sem necessidade de cirurgias ou qualquer outro procedimento clínico. No caso da imagética motora, os pesquisadores descobriram que o simples ato de imaginar um movimento já é suficiente para gerar uma atividade no córtex motor, e é bem nessa região que são implantados eletrodos.

“A gente usa os mesmos eletrodos. Só que na parte de imagética a gente concentra a atenção nos eletrodos que estão sobre o córtex motor, e na parte de SSVEP a gente trabalha principalmente com a região dos eletrodos que estão próximos do córtex visual. Assim, nós conseguiremos detectar uma informação que a pessoa está captando visualmente. Mas os eletrodos são os mesmos”, esclarece Attux.

Agora que você entendeu um pouco mais sobre o que é a BCI, vai assistir a filmes como “Fenômeno”, em que John Travolta passa a controlar coisas com a mente, “X-men” ou “Matrix”, obviamente, com um olhar muito mais crítico!

* Jornalista formado pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas (PUC-Campinas), aluno da especialização em Jornalismo Científico do Laboratório de Estudos Avançados em Jornalismo (Labjor/Unicamp). É bolsista MídiaCiência/FAPESP.