O que está acontecendo em seu cérebro enquanto você rola por esta página? Em outras palavras, quais áreas de seu cérebro estão ativas, quais neurônios estão falando com quais outros e que sinais eles estão enviando para seus músculos?
Mapear a atividade neural para comportamentos correspondentes é um objetivo principal para os neurocientistas que desenvolvem interfaces cérebro-máquina (IMC): dispositivos que leem e interpretam a atividade cerebral e transmitem instruções para um computador ou máquina. Embora isso possa parecer ficção científica, os IMC existentes podem, por exemplo, conectar uma pessoa paralisada com um braço robótico; o dispositivo interpreta a atividade neural e as intenções da pessoa e move o braço robótico de maneira correspondente.
Uma das principais limitações para o desenvolvimento de IMC é que os dispositivos requerem cirurgia invasiva do cérebro para ler a atividade neural. Mas agora, uma colaboração na Caltech desenvolveu um novo tipo de IMC minimamente invasivo para ler a atividade cerebral correspondente ao planejamento do movimento. Usando a tecnologia de ultrassom funcional (fUS), ele pode mapear com precisão a atividade cerebral de regiões precisas dentro do cérebro com uma resolução de 100 micrômetros (o tamanho de um único neurônio é de aproximadamente 10 micrômetros).
A nova tecnologia fUS é um passo importante na criação de IMCs menos invasivos, mas ainda assim altamente capazes.
"Formas invasivas de interfaces cérebro-máquina já podem devolver o movimento àqueles que o perderam devido a lesões neurológicas ou doenças", disse Sumner Norman, pós-doutorado no laboratório Andersen e co-autor do novo estudo. "Infelizmente, apenas alguns selecionados com paralisia mais grave são elegíveis e desejam ter eletrodos implantados em seus cérebros. O ultrassom funcional é um novo método incrivelmente empolgante para registrar a atividade cerebral detalhada sem danificar o tecido cerebral. Nós ultrapassamos os limites da neuroimagem por ultrassom e Ficamos entusiasmados por poder prever o movimento. O mais empolgante é que a FUS é uma técnica jovem com enorme potencial - este é apenas nosso primeiro passo para levar um IMC de alto desempenho e menos invasivo para mais pessoas. "
O novo estudo é uma colaboração entre os laboratórios de Richard Andersen, James G. Boswell Professor de Neurociência e Cadeira de Liderança e diretor do Tianqiao e Chrissy Chen Brain-Machine Interface Center no Tianqiao e Chrissy Chen Institute for Neuroscience em Caltech; e de Mikhail Shapiro, professor de engenharia química e Investigador do Heritage Medical Research Institute. Shapiro é um membro do corpo docente afiliado ao Instituto Chen.
Um artigo descrevendo o trabalho foi publicado na revista Neuron em 22 de março.
Em geral, todas as ferramentas para medir a atividade cerebral têm desvantagens. Eletrodos implantados (eletrofisiologia) podem medir com muita precisão a atividade no nível de neurônios individuais, mas, é claro, exigem o implante desses eletrodos no cérebro. As técnicas não invasivas, como a imagem por ressonância magnética funcional (fMRI), podem gerar imagens de todo o cérebro, mas requerem maquinários volumosos e caros. A eletroencefalografia (EEGs) não requer cirurgia, mas só pode medir a atividade em baixa resolução espacial.
O ultrassom funciona emitindo pulsos de som de alta frequência e medindo como essas vibrações sonoras ecoam em uma substância, como em vários tecidos do corpo humano. O som viaja em velocidades diferentes através desses tipos de tecido e se reflete nas fronteiras entre eles. Essa técnica é comumente usada para obter imagens de um feto no útero e para outros diagnósticos por imagem.
O ultrassom também pode "ouvir" o movimento interno dos órgãos. Por exemplo, os glóbulos vermelhos, como uma ambulância que passa, aumentam de intensidade à medida que se aproximam da fonte das ondas de ultrassom e diminuem à medida que desaparecem. Medir esse fenômeno permitiu aos pesquisadores registrar pequenas mudanças no fluxo sanguíneo do cérebro até 100 micrômetros (na escala da largura de um cabelo humano).
“Quando uma parte do cérebro se torna mais ativa, há um aumento no fluxo sanguíneo para a área. Uma questão-chave neste trabalho era: se tivéssemos uma técnica como o ultrassom funcional que nos fornecesse imagens de alta resolução da dinâmica do fluxo sanguíneo do cérebro no espaço e ao longo do tempo, há informações suficientes dessa imagem para decodificar algo útil sobre o comportamento? " Shapiro diz. "A resposta é sim. Essa técnica produziu imagens detalhadas da dinâmica dos sinais neurais em nossa região-alvo que não podiam ser vistas com outras técnicas não invasivas como fMRI. Produzimos um nível de detalhe que se aproxima da eletrofisiologia, mas com uma abordagem muito menos invasiva procedimento."
A colaboração começou quando Shapiro convidou Mickael Tanter, um pioneiro em ultrassom funcional e diretor da Física para a Medicina de Paris (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), para dar um seminário no Caltech em 2015. Vasileios Christopoulos, um antigo laboratório de Andersen bolsista de pós-doutorado (agora professor assistente na UC Riverside), participou da palestra e propôs uma colaboração. Shapiro, Andersen e Tanter então receberam uma bolsa da Iniciativa NIH BRAIN para prosseguir com a pesquisa. O trabalho na Caltech foi liderado por Norman, ex-colega de pós-doutorado do Shapiro lab David Maresca (agora professor assistente na Delft University of Technology), e Christopoulos. Junto com Norman, Maresca e Christopoulos são os co-autores do novo estudo.
A tecnologia foi desenvolvida com a ajuda de primatas não humanos, que foram ensinados a fazer tarefas simples que envolviam mover os olhos ou os braços em certas direções quando apresentados a certas pistas. À medida que os primatas completavam as tarefas, o fUS mediu a atividade cerebral no córtex parietal posterior (PPC), uma região do cérebro envolvida no planejamento do movimento. O laboratório Andersen estudou o PPC por décadas e já havia criado mapas da atividade cerebral na região usando eletrofisiologia. Para validar a precisão do fUS, os pesquisadores compararam a atividade de imagens cerebrais do fUS com dados eletrofisiológicos detalhados obtidos anteriormente.
Em seguida, com o apoio do Centro de Interface Cérebro-Máquina T&C Chen da Caltech, a equipe teve como objetivo ver se as mudanças dependentes da atividade nas imagens fUS poderiam ser usadas para decodificar as intenções do primata não humano, mesmo antes de iniciar um movimento. Os dados de imagem de ultrassom e as tarefas correspondentes foram então processados por um algoritmo de aprendizado de máquina, que aprendeu quais padrões de atividade cerebral se correlacionam com quais tarefas. Depois que o algoritmo foi treinado, foram apresentados dados de ultrassom coletados em tempo real dos primatas não humanos.
O algoritmo previu, em poucos segundos, que comportamento o primata não humano iria realizar (movimento ou alcance dos olhos), direção do movimento (esquerda ou direita) e quando planejava fazer o movimento.
“O primeiro marco foi mostrar que o ultrassom pode captar sinais cerebrais relacionados à ideia de planejar um movimento físico”, diz Maresca, que tem expertise em ultrassom. "A imagem de ultrassom funcional consegue registrar esses sinais com 10 vezes mais sensibilidade e melhor resolução do que a ressonância magnética funcional. Esta descoberta está no cerne do sucesso da interface cérebro-máquina com base no ultrassom funcional."
"As atuais interfaces cérebro-máquina de alta resolução usam matrizes de eletrodos que requerem cirurgia cerebral, que inclui a abertura da dura-máter, a forte membrana fibrosa entre o crânio e o cérebro, e a implantação de eletrodos diretamente no cérebro. Mas os sinais de ultrassom podem passar pelo dura e cérebro de forma não invasiva. Apenas uma pequena janela transparente para o ultrassom precisa ser implantada no crânio; esta cirurgia é significativamente menos invasiva do que a necessária para implantar eletrodos ", diz Andersen.
Embora esta pesquisa tenha sido realizada em primatas não humanos, uma colaboração está em andamento com o Dr. Charles Liu, um neurocirurgião da USC, para estudar a tecnologia com voluntários humanos que, por causa de lesões cerebrais traumáticas, tiveram um pedaço de crânio removido. Como as ondas de ultrassom podem passar sem ser afetadas por essas "janelas acústicas", será possível estudar como o ultrassom funcional pode medir e decodificar a atividade cerebral nesses indivíduos.
O artigo é intitulado "Decodificação de tentativa única de intenções de movimento usando neuroimagem de ultrassom funcional." Outros co-autores são o estudante de graduação da Caltech Whitney Griggs e Charlie Demene da Universidade de Paris Sciences et Lettres e o INSERM Technology Research Accelerator in Biomedical Ultrasound em Paris, França. O financiamento foi fornecido por uma bolsa de pós-doutorado Della Martin, uma bolsa de pós-doutorado interdisciplinar do Human Frontiers Science Program, o UCLA – Caltech Medical Science Training Program, o National Institutes of Health BRAIN Initiative, o Tianqiao e Chrissy Chen Brain-Machine Interface Center, o Fundação Boswell e Instituto de Pesquisa Médica Heritage.
Tradução livre do artigo: https://www.caltech.edu/about/news/reading-minds-with-ultrasound-a-less-invasive-technique-to-decode-the-brains-intentions
