Paralisia e Brain Bypass Surgery
Índice:
- Decodificação de sinais cerebrais
- Como funciona a tecnologia
- interfaces Brain-computer
- Otimismo para o futuro
Avanços científicos na tecnologia de interface cérebro-computador podem oferecer novas esperanças para superar a paralisia.
No último avanço, um homem com quadriplegia paralisado há oito anos recuperou o movimento funcional do braço.
Publicidade PublicidadeEle se alimentou com a mão usando esta tecnologia, uma primeira na história médica.
Pesquisadores da Case Western Reserve University, em Ohio, anunciaram suas descobertas em 28 de março no jornal médico britânico The Lancet.
O anúncio Case Western foi feito no dia seguinte ao empreendedor Elon Musk (da empresa de foguetes elétricos e foguete Space Space da Tesla) revelou planos para desenvolver uma tecnologia similar.
AnúncioO "laço neural" de Musk, de acordo com um relatório no The Wall Street Journal, iria ligar o cérebro de uma pessoa diretamente com um computador.
Enquanto isso, cientistas da Universidade Estadual de Ohio (OSU) estão trabalhando com um paciente com paralisia e desenvolveram uma tecnologia semelhante à de Case Western.
A equipe OSU está desenvolvendo a tecnologia com cientistas no Battelle Memorial Institute, uma organização sem fins lucrativos em Ohio que cria dispositivos médicos.
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Decodificação de sinais cerebrais
Os cientistas Case Western têm trabalhado com Bill Kochevar, um jovem de 53 anos com quadriplegia que foi ferido em um acidente de bicicleta.
Os pesquisadores implantaram uma neuroprosthesis que decodificou seus sinais cerebrais e os transmitiu a sensores em seu braço, o que o ajudou a recuperar o movimento na mão e no braço.
Robert Kirsch, PhD, presidente do Departamento de Engenharia Biomédica Case Western, diretor executivo do Centro de Estimulação Elétrica Funcional da Universidade (FES), é autor sênior da pesquisa.
Publicidade PublicidadeEle chamou o avanço de um grande passo.
"Mostramos a viabilidade de registrar as intenções de movimento de alguém e, em seguida, fazer seu próprio braço fazer esses movimentos", disse ele.
Ele apenas pensa em mover o braço e o braço se move como ele pretende. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve UniversityO colega de Kirsch, Bolu Ajiboye, PhD, professor assistente de engenharia biomédica da Case Western e pesquisador do Centro Médico da Administração de Veteranos de Louis Stokes Cleveland, explicou como a tecnologia funciona.
Anúncio"O movimento normal em pessoas não afetadas ocorre porque o córtex motor gera um comando de movimento, representado como sinais elétricos, que é passado através da medula espinhal e, em seguida, ativa os músculos apropriados", Ajiboye disse à Healthline.
Uma lesão da medula espinal impede que os impulsos elétricos atinjam os músculos, explicou, mas o comando do movimento original ainda está corretamente codificado nos padrões de atividade elétrica do cérebro.
Publicidade Publicidade"Nosso sistema registra o padrão de atividade elétrica através do implante do cérebro e usa algoritmos matemáticos para decodificá-lo em um comando de movimento que é destinado pela pessoa com paralisia. Esse comando é convertido em um padrão de estimulação elétrica que é aplicado ao grupo direito de músculos para produzir o movimento. Para o Sr. Kochevar, o processo é transparente e invisível. Em suas palavras, ele diz que ele apenas pensa em mover o braço e o braço se move como ele pretende. "
Ajiboye também apontou o que essa nova tecnologia não é.
A ciência tentou muitas vezes "consertar" uma coluna vertebral danificada através da engenharia de tecidos e regenerar sem sucesso, disse ele.
Publicidade"Nós gostaríamos que os cientistas encontraram uma maneira de regenerar e reconectar a medula espinhal usando terapias celulares", disse Ajiboye. "No entanto, nossa abordagem atual usa tecnologia para contornar a lesão da coluna vertebral para obter os sinais de movimento do cérebro para o conjunto direito de músculos para produzir o movimento. "
Outras tecnologias que ajudam as pessoas com paralisia a recuperar a função normalmente são limitadas aos dispositivos que podem controlar usando suas vozes e movimentos oculares, ou movendo suas cabeças.
Advertisement PublicidadeNo entanto, nenhum desses dispositivos permite o controle do próprio membro.
"Nosso dispositivo permite que um usuário mova seu próprio membro apenas pensando", explicou Ajiboye. "Eu quero deixar claro que nosso sistema está contornando a lesão na coluna, ao invés de reverter a paralisia. Sem o sistema, o usuário ainda seria paralisado, e não há evidências que sugeram que o uso desse sistema acabaria por resultar no rebrote da coluna vertebral ou reintroduziria a capacidade de se mover sem o sistema. "
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Como funciona a tecnologia
Por que a tecnologia Case Western é única?
O sistema é o primeiro a usar uma interface de computador com implante cerebral com um sistema FES para ativar eletricamente músculos paralisados.
Antes disso, os cientistas trataram várias pessoas com paralisia, mas com apenas uma abordagem ou outra.
Kochevar é a primeira pessoa a experimentar essa tecnologia combinada.
Ajiboye disse que muitos grupos de pesquisa usaram o sistema de interface do cérebro com humanos e com primatas não humanos. Ambos os grupos de teste foram capazes de executar tarefas como mover cursores em uma tela de computador ou mover braços robóticos.
"O nosso Centro FES nos últimos 25 a 30 anos implantou sistemas FES em pessoas com lesões da medula espinhal para restaurar uma série de funções, incluindo a posição, caminhada, respiração e movimentos de mão e braço", afirmou.
Kochevar ingressou no projeto de pesquisa Case Western em 2014. Ele recebeu seus implantes de cérebro em dezembro desse ano.Em 2015, Kirsch, Ajiboye e seus colegas implantaram eletrodos nos músculos do braço e mão.
Kochevar aprendeu a ativar seus sinais cerebrais para controlar diferentes dispositivos.
"Primeiro o fizemos assistir a um movimento de braço virtual em uma tela de computador, enquanto ele simultaneamente imaginava fazer os mesmos movimentos com seu próprio braço", disse Ajiboye. "Isso gerou padrões de atividade neural. Em seguida, desenvolvemos um descodificador neural, um algoritmo matemático que relacionava os padrões gerados da atividade neural com aspectos dos movimentos do braço virtual. "
Em seguida, eles fizeram com que Kochevar controle o braço virtual, gerando padrões de sinais cerebrais que foram então interpretados pelo decodificador neural, disse Ajiboye.
Kochevar treinou para mover o braço virtual com precisão para alvos especificados no espaço de trabalho. Os cientistas quantificaram o controle cerebral do braço virtual e descobriram que ele conseguiu controlá-lo quase que imediatamente, disse Ajiboye. Além disso, Kochevar alcançou relativamente rapidamente uma taxa de sucesso de 95 a 100 por cento da precisão do alvo.
Finalmente, os cientistas fizeram Kochevar tentar mover o braço através da estimulação FES em um processo de dois passos.
"Movemos o braço manualmente (através de estimulação elétrica) e instruiu-o a imaginar que ele estava no controle de seus movimentos de braço", disse Ajiboye. "Novamente, isso ajudou a gerar os desejados padrões de atividade neural, que costumávamos construir e refinar nosso decodificador neural. Nós o fizemos usar o decodificador neural final para controlar os movimentos de seu próprio braço, reanimado através de estimulação elétrica. Ele conseguiu movimentar o braço instantaneamente conforme desejado, e melhorou progressivamente com o aumento do uso. "
Em um video lançado pela Case Western, Kochevar disse:" Foi incrível porque pensei em mover meu braço e isso aconteceu. Eu poderia movê-lo para dentro e para fora, para cima e para baixo. "
Como Kochevar teve paralisia de longo prazo, seus músculos foram inicialmente fracos e facilmente cansados. Ajiboye disse.
Para construir sua força muscular e resistência à fadiga, a equipe "exerceu" seus músculos por várias horas por dia usando estimulação elétrica sem o sistema de interface do cérebro.
Ao longo do tempo, este exercício eletricamente estimulado aumentou sua força muscular e sua capacidade de usar o sistema por mais tempo sem fadiga.
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interfaces Brain-computer
Como as inovações Case Western, a inovação do estado de Ohio ajudou um homem com quadriplegia a usar sua mão após anos de paralisia.
O time de pesquisa foi liderado pelo Dr. Ali Rezai, professor de neurocirurgia e neurociência, e diretor do Centro de Neuromodulação do Centro Médico Wexner da universidade.
O paciente, Ian Burkhart, sofreu uma grave lesão da medula espinhal aos 19 anos durante um acidente de mergulho. Isso o deixou com pouca função e movimento em seus ombros e bíceps, e nenhum movimento dos cotovelos para as mãos.
"Nossa equipe desenvolveu uma tecnologia de interface cérebro-computador que ignora a medula espinhal danificada, permitindo que um paciente como Ian com lesão da medula espinhal e quadriplegia e nenhuma função de suas mãos por cinco anos simplesmente use seus pensamentos para mover seu mão sem vida para ganhar vida e sob seu controle voluntário ", Rezai disse à Healthline.
Em abril de 2014, Rezai implantou um microchip do tamanho da cabeça de um apagador de lápis na superfície do córtex motor do cérebro de Burkhart. Os 96 microeletrodos do chip registraram o disparo de seus neurônios individuais.
Rezai e seus colegas desenvolveram o sistema de derivação neural, que registra e analisa a atividade cerebral que ocorre quando Burkhart pretende mover sua mão.
Depois de ignorar a medula espinhal danificada e conexão danificada do cérebro aos nervos musculares, o sistema liga o sinal cerebral de Burkhart com uma manga de roupa externa, disse Rezai.
Isso permite que Burkhart mova sua mão.
"O implante cerebral registra e interpreta sinais cerebrais ligados a pensamentos e os liga a uma peça de vestuário de manga externa para controlar seus músculos", explicou Rezai. "É um sistema de estimulação neuromuscular. Os pensamentos associados a uma intenção de se mover - por exemplo, abrir a mão - estão ligados e conectados em milissegundos ao movimento funcional real da mão. "
A primeira geração do sistema de vestuário e estimulação de manga usável externo, disse ele, tem até 160 eletrodos estimulantes" feitos de hidrogel super flexível - uma disposição de alta resolução de alta resolução de eletrodos que se adequam a diferentes formas e contornos como o antebraço. "
A peça de vestuário pode ser moldada em uma luva, uma luva, uma meia, uma calça, um cinto, uma banda de cabeça e outros fatores de forma.
"É necessária uma complexidade e coordenação significativa para permitir que os movimentos de forma suave peguem um agitador para mexer o café, usar uma escova de dentes ou jogar um videogame", disse ele. "Este algoritmo de aprendizado de máquina está melhorando e refinando os movimentos de movimentos bruscos e agitados, para movimentos mais suaves e fluidos. "
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Otimismo para o futuro
Os neurocientistas que observam os avanços recentes estão impressionados e otimistas.
Joseph O'Doherty, PhD, um especialista em pós-graduação do Laboratório Philip Sabes da Universidade da Califórnia, no Centro de Neurociências Integrativas, chama esses avanços recentes na tecnologia de interface cérebro-computador "inovadores". "
" Esta pesquisa mostra que os membros paralisados podem ser reanimados - por pensamento único - para restaurar os movimentos coordenados e multi-articulares importantes para o cotidiano: alcançar, agarrando, comendo e bebendo ", disse ele à Healthline. "É uma demonstração de prova de princípio que levanta a possibilidade de que terapias similares possam encontrar uma adoção próxima à clínica. "
Os cientistas têm trabalhado em interfaces cérebro-computador, de uma forma ou de outra, desde o final da década de 1960, disse ele. O campo progrediu do controle de cursores de computador, cadeiras de rodas em movimento e braços robóticos, para restabelecer o controle voluntário sobre os membros.
"A lesão da medula espinhal muitas vezes prejudica o senso de toque, bem como a capacidade de se mover", disse O'Doherty. "Restaurar as sensações dos membros será um elemento crucial das neuropróstesis que permitem movimentos fluidos e naturais. "
" Ainda há muitos desafios a superar ", acrescentou," mas esse novo resultado, combinado com muitos avanços relacionados em tecnologia sem fio, tecnologia de bateria, ciência de materiais e muito mais, me deixa muito otimista em dispositivos neuroprotésicos para restaurar movimento e sensação amplamente disponíveis. "
Essas inovações oferecem esperança e potencial de restauração de movimentos e maior independência para muitos pacientes que vivem com paralisia ou outras deficiências físicas. Dr. Ali Rezai, do Centro Médico Wexner da Universidade Estadual de OhioRezai disse que 12.000 indivíduos nos Estados Unidos anualmente sustentam uma lesão da medula espinhal e 300.000 vivem com feridas de acidentes com veículos motorizados, trauma, lesões esportivas, e cai.
Menos de 1 por cento conseguem uma recuperação completa e a maioria tem déficits que dependem de várias tecnologias auxiliares e adaptativas para proporcionar um grau de independência limitado.
"Essas inovações oferecem esperança e potencial de restauração de movimentos e maior independência para muitos pacientes que vivem com paralisia ou outras deficiências físicas", disse Rezai. "Além das melhorias motoras, esta tecnologia tem implicações potenciais para aqueles com déficits sensoriais, dor crônica, fala, acidente vascular cerebral, cognitivo, ansiedade e implicações comportamentais. "
Rezai disse que esperava que em breve aqueles com deficiências físicas, sensoriais, cognitivas e outras tenham a oportunidade de ser mais funcionais, ter mais independência e uma melhor qualidade de vida.
"Nosso objetivo é tornar esta tecnologia menos invasiva, reduzir o tamanho do dispositivo, miniaturizar os sensores, tornar o sistema sem fio e fornecer o sistema em casa em vez de no laboratório", disse ele.
O time Case Western também está trabalhando para avançar tecnicamente seu sistema.
"Precisamos desenvolver uma interface de cérebro sem fio para substituir o cabo que conecta o usuário a um conjunto de computadores de gravação", disse Ajiboye. "Precisamos melhorar o implante do cérebro para a longevidade, aumentar o número de neurônios dos quais podemos gravar e desenvolver uma interface cerebral totalmente implantada e um sistema de estimulação elétrica funcional. "
