A Síndrome do Encarceramento e as Interfaces Cérebro-Máquina


A síndrome do encarceramento ("locked-in syndrome") é uma condição em que o paciente não consegue se movimentar ou se comunicar verbalmente devido à paralisia de quase todos os músculos voluntários, mas se mantém consciente e com suas funções intelectuais intactas. O termo foi cunhado por Fred Plum e Jerome Posner em 1966, devido ao fato de pessoas com a condição se sentirem presas dentro do próprio corpo, condição indiscutivelmente apavorante para a maioria de nós.

Em grande parte dos casos, os movimentos dos olhos não são afetados pela doença, o que pode ser usado para estabelecer alguma forma de comunicação do paciente com o mundo exterior. Em alguns casos, por outro lado, o paciente perde todos os movimentos ("Total locked-in syndrome"), o que dificulta bastante o diagnóstico da condição.

Causas
A síndrome é causada por danos a porções específicas da parte inferior do cérebro, mantendo intacta a região superior. Os danos podem ter diferentes origens como:
  • Lesão traumática do cérebro
  • Doenças cardiovasculares
  • Overdose de certos medicamentos
  • Derrame/hemorragia cerebral (normalmente na artéria basilar)
  • Picada de uma cobra comumente encontrada na Índia (Bungarus caeruleus)

Alguns casos notáveis da síndrome são:
- Jean-Dominique Bauby, autor e editor da revista de moda Elle, que sofreu um derrame e perdeu todos os movimentos, com exceção da pálpebra esquerda. Apesar disto, conseguiu escrever suas memórias ("The Diving Bell and the Butterfly"), indicando, através de piscadas, uma letra de cada vez.

Bauby "ditando" suas memórias.

- Julia Tavalaro, que aos 32 anos de idade sofreu múltiplos derrames. Durante 6 anos foi considerada um paciente vegetativo, até que familiares notaram que ela tentava sorrir após ouvir uma piada.


Interface Cérebro-Máquina
Este tipo de tecnologia tem um enorme potencial em diversas áreas, inclusive pode ajudar pacientes que possuem alguma forma de deficiência ou doença na qual a comunicação neuromotora é prejudicada, por exemplo, como é o caso de pacientes com LIS.

- Um caso interessante do uso desse tipo de interface é o de Erik Ramsey, que sofreu um derrame em 1999 após um acidente de carro e sofre com a síndrome, não tendo qualquer tipo de movimento.
Provavelmente os fatores mais debilitantes para um paciente como este, com paralisia extrema, são a dificuldade de comunicação com as pessoas responsáveis por seu cuidado e o isolamento social profundo.
Mesmo para pacientes que ainda mantém algum tipo de movimento (normalmente nas pálpebras e olhos), o fluxo de informação com as técnicas rudimentares de comunicação é muito pequeno, cerca de uma palavra por minuto, o que inviabiliza qualquer interação social normal.

Erik participou voluntariamente de um estudo do Departamento de Sistemas Neurais e Cognitivos da Universidade de Boston, que mostrou resultados otimistas envolvendo próteses neurais que podem restaurar mecanismos de fala em ritmo quase normal através de sintetizadores de voz.
Um eletrodo foi introduzido cirurgicamente no córtex motor relacionado à fala. Dentro de alguns meses após o implante, dendritos e axônios já começam a crescer dentro do cone do eletrodo, resultando na captação de sinais cerebrais.




  Estes sinais são então amplificados e transmitidos por ondas de rádio através do escalpo, onde são captados por uma antena, re-amplificados e processados. Assim o paciente consegue emitir sons de acordo com a atividade cerebral relativa à fala. Diversos testes foram conduzidos para tentar fazê-lo reproduzir sons de vogais que ouvia. É interessante notar que o paciente tem um feedback auditivo em tempo real (atraso < 50 ms) com os sons gerados pelo sintetizador. Desta forma, os estudos mostraram uma melhoria significativa do desempenho nos testes devido ao aprendizado e a prática.

Mesmo que Ramsey só consiga murmurar vogais, já é um grande avanço que provavelmente repercutiu em grande melhoria de sua qualidade de vida. Para detalhes sobre o estudo, clique AQUI.

A Macaquinha e seu Braço Robô


Neste post vamos falar de um dos experimentos mais importantes da neuroengenharia, este experimento foi feito por Miguel Nicolelis (para saber mais clique AQUI) e sua equipe em 1999. A macaquinha rhesus Aurora foi treinada e conseguiu movimentar um braço mecânico apenas com o pensamento.
Primeiro Aurora foi treinada a jogar um jogo no computador utilizando um joystick, ela devia mover o cursor até ele atingir um alvo, após o alvo ser atingido ele se movia. Enquanto ela treinava Nicolelis registrava a atividade cerebral da macaca.
Ele estudou estes registros e pode então conectar o cérebro de Aurora num computador que controlava um braço mecânico, o computador analisava a leitura das ondas cerebrais da macaca e fazia com que o braço robótico se movesse da mesma forma que o braço dela. Foi a primeira vez que a leitura dos pensamentos de um ser vivo foi utilizada para movimentar um componente mecânico.
Depois de realizado o feito ele disse enquanto mostrava as leituras da atividade cerebral da primata: "Está tudo aqui, e isto não está somente no cérebro de um primata, mas também em nosso cérebro. No dia em que descobrirmos como o nosso cérebro funciona, será através de sons e imagens como estas. Esse é o alfabeto essencial da mente."


Mas o experimento não parou por ai, em um certo momento Aurora parou de movimentar seu braço. O joystick continuava ali mas nesse ponto sua conexão com o computador já havia sido cortada e os movimentos do cursor dependiam apenas dos pensamentos da macaca, e ela foi capaz de perceber isso. O cérebro da macaca agia no mundo sem precisar do seu corpo, mente e corpo estavam "separados".
E para uma surpresa ainda maior com o passar do tempo a macaca foi capaz de movimentar seus braços independentemente do braço robótico, ela controlava agora 3 membros.
O cientista acredita que este momento foi decisivo na sua vida e de sua equipe, e que nenhum outro será igualável a ele porque foi ali que um novo campo se abriu. 
Para ver Nicolelis falando sobre o experimento assista o vídeo abaixo.


É claro que a equipe não parou por ai, outro experimento interessante foi feito em 2008. Dessa vez a macaquinha escolhida foi Idoya, também da raça rhesus. A macaca foi colocada para andar em uma esteira nos EUA e suas ondas cerebrais foram transmitidas através da internet para o Japão, onde um robô humanóide foi colocado para reproduzir os movimentos da primata também caminhando sobre uma esteira. Entre o experimento feito com Aurora e este a equipe de Nicolelis já tinha conseguido fazer macacos segurarem objetos com um braço robô, mas essa foi a primeira vez que sinais cerebrais foram usados para fazer um robô andar. 
Todo um treinamento foi feito com Idoya, ela caminhava na esteira a diferentes velocidades, para frente e para trás, três vezes por semana. Durante este treinamento suas atividades cerebrais foram estudadas e gravadas. 
Durante o experimento, enquanto caminhava a macaca podia ver as pernas robóticas em uma tela e recebia recompensas quando os movimentos estavam bem sincronizados. Depois que a esteira foi desligada Idoya continuou ainda controlando o robô por alguns minutos.
Uma constatação importante foi a de que a comunicação cérebro-máquina ocorria mais depressa do que a cérebro-corpo.


Isso foi um enorme avanço, mas ainda havia um desafio maior pela frente. Seria possível simular sensações através de uma ICM? 
E a equipe novamente surpreendeu quando em 2011 simulou sensações de tato em macacos rhesus. Duas macacas foram utilizadas neste experimentos e elas controlavam com o pensamento um braço virtual, que era mostrado numa tela de computador. Elas podiam andar com o braço pela tela e passar por cima de objetos virtuais. Quando passavam por estes objetos uma sensação diferente de tato era simulada para cada um deles, e quando passavam sobre o objeto que simulava uma sensação específica elas eram recompensadas com suco de laranja. Foi possível perceber que as macacas controlavam os braço passando ele pelos objetos até que chegassem no objeto para o qual deveriam receber o suco, e deixavam o braço naquela posição até serem recompensadas. Esse foi um avanço muito importante na neurociência e principalmente para a área de neuropróteses, já que um grande desafio hoje é gerar um feedback sensorial para o usuário dessas próteses. 



Mostramos neste post alguns experimentos importantíssimos de Nicolelis e sua equipe, mas ele não é o único a conseguir avanços nessa área. Hoje temos cientistas no mundo todo participando desta corrida revolucionária, vamos tentar mostrar outros experimentos interessantes de outros pesquisadores nos posts seguintes.

Nicolelis e o Projeto Andar de Novo (Walk Again)

Miguel Nicolelis é um médico e neurocientista brasileiro, ele possui graduação em medicina pela Universidade de São Paulo (USP) e doutorado em Ciências, Fisiologia Geral, pela mesma. Atualmente é professor titular do Departamento de Neurobiologia da Universidade de Durke nos Estados Unidos, onde lidera um grupo de pesquisa em neuroengenharia. Seus trabalhos na área de interface cérebro máquina (ICM) e neuropróteses são referência mundial, nas suas próprias palavras o que ele e seu grupo vem estudando é: "temos tentado nesses últimos 10 anos interfacear a atividade do cérebro com máquinas diversas que podem realizar os nossos desejos motores sem o engajamento do próprio corpo. Você imagina o que você quer fazer e um robô, ou um avatar, realiza esse programa motor para você só pelo pensamento". E eles já conseguiram, seu trabalho está na lista do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) das tecnologias que vão mudar o mundo, principalmente por possibilitarem a reabilitação de pacientes que sofrem de paralisia corporal.
Alguns anos atrás foi o primeiro brasileiro a ter sua pesquisa na capa da revista Science, um estudo sobre uma técnica promissora para cura do mal de Parkinson. Foi também um dos nomes cotados a receber o premio Nobel de Medicina, não foi o ganhador mas o avanço cada vez maior das suas pesquisas ainda o coloca como nome a ser observado.
Seu trabalho começou a ganhar o cenário internacional em 1999 graças à um experimento que merece até um post especial (para vê-lo clique AQUI), o experimento permitiu a um primata mover um braço robótico apenas com a força do pensamento.
Seguindo esta linha o cientista veio com o projeto Andar de Novo (Walk Again), um projeto bastante ousado. Ele acredita que com essa ICM ele conseguirá fazer pacientes tetraplégicos e paraplégicos se movimentarem com a ajuda de um exoesqueleto. Normalmente a causa dessas doenças é uma lesão na medula espinhal, o que não afeta a atividade cerebral, apenas a comunicação que leva seu comando até o resto do corpo. O projeto é uma parceria entre Alemanha, Brasil, EUA e Suíça.
O cientista acredita fortemente que esse não é um sonho distante, ele espera fazer a primeira demonstração pública do projeto na abertura da Copa de 2014 no Brasil. Ele quer que o primeiro chute do evento seja feito por uma criança paraplégica brasileira com o auxílio do exoesqueleto desenvolvido pela sua equipe.
Há um site especialmente para o projeto, o The Walk Again Project, por enquanto não há muito divulgado mas devemos levar em conta que o projeto começou agora apenas de nome, toda a pesquisa desenvolvida por Nicolelis e sua equipe nos últimos anos são partes fundamentais desse projeto.
Mas o cientista afirma que o projeto é muito maior, ele espera que o Andar de Novo possa alavancar ouras tecnologias que surjam durante a pesquisa e que também possa incentivar outros jovens cientistas do mundo a atuarem na área, ele se mostra sempre muito otimista quanto às repercussões do projeto.
O trabalho do pesquisar é amplamente divulgado e se você quiser saber mais pode procurar matérias e até videos de palestras no youtube.