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Os avanços da Neuroengenharia
 
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A Neuroengenharia é um ramo científico que se desenvolve a partir das engenharias biomédicas e utiliza técnicas para entender, reparar, substituir e melhorar os sistemas neurais. Mais especificamente a Neuroengenharia utiliza aspectos da tecnologia eletroeletrônica para modulação e decodificação da atividade cerebral, permitindo controlar e restaurar funções neurais danificadas ou outras desordens neurológicas. Lesões traumáticas, amputações e neurodegenerações são alvos deste ramo da ciência que se desenvolve rapidamente nos últimos anos.

O avanço da Neuroengenharia se dá pelo maior conhecimento e domínio de duas técnicas da eletrofisiologia. A estimulação elétrica do sistema nervoso e do registro da atividade elétrica cerebral. A estimulação elétrica cerebral permite a modulação da atividade dos tecidos nervosos e de seus correspondentes, permitindo a localização do problema e a substituição da atividade disfuncional. Por sua vez, o registro da atividade elétrica do cérebro nos permite extrair informações do funcionamento do sistema nervoso e utilizar estes impulsos por dispositivos eletromecânicos externos. Sendo assim, poderíamos afirmar que a maior parte dos produtos desenvolvidos na Neuroengenharia poderiam ser divididos em 2 grupos, a Neuromodulação, ligada diretamente à estimulação elétrica de tecidos vivos e que podem ser utilizadas em doenças ou desordens neurológicas e a interface cérebro máquina, que permitiria o contato com os diversos substratos neurais com um dispositivo externo ao sistema nervoso.

Na realidade a Interface cérebro-máquina sempre foi uma história muito difundida em filmes de ficção científica, nos quais seria possível controlar ações de dispositivos apenas com a força do pensamento. Atualmente isto não pode ser mais considerado ficção e os estudos têm avançado muito nos últimos anos. Uma equipe de cientistas da Universidade de Reading, no Reino Unido, realizou um experimento nos quais foram retirados do feto de um rato cerca de 300 mil neurônios, que por sua vez, foram conectados a 60 eletrodos. Na prática os cientistas produziram um cérebro capaz de controlar um pequeno robô chamado Gordon, enviando e recebendo sinais para um dispositivo externo.

Atualmente vários países têm criado polos de pesquisas que envolvem neurociência, e muitos desses centros investem na tecnologia de próteses motoras (uma espécie de veste robótica) comandadas por sinais elétricos enviados diretamente pelo cérebro e próteses sensoriais (capazes de fazer o sentido inverso, enviando dados de uma máquina para o cérebro).

É óbvio que o desenvolvimento da maior parte destes equipamentos ainda não aconteceu, e que muito ainda há de ser descoberto para que isto se torne uma realidade. Entretanto, ao longo dos últimos 50 anos avanços impressionantes neste campo da ciência foram realizados. Recentemente alguns empresários bem sucedidos como Elon Musk e Bryan Johnson anunciaram a criação de novas startups que busquem aprimorar as capacidades humanas através da interface cérebro-máquina.



O QUE JÁ FOI DESENVOLVIDO NESTA ÁREA?
Como dito anteriormente o avanço da Neuroengenharia vem ocorrendo visivelmente. Os primeiros experimentos significativos desta área iniciaram-se na década de 60 e os investimentos ao longos do tempo só aumentaram. Em 1969, Eb Fetz, um pesquisador do Centro de Engenharia Neural e Snsorimotor (CSNE) foi um dos pioneiros em conectar máquinas e cérebros, ele demonstrou que macacos podiam ampliar seus sinais cerebrais para controlar uma agulha que se movia em um mostrador.

Recentemente pesquisadores da Universidade de Pittsburgh, em 2017, utilizaram sinais registrados dentro de um cérebro para movimentar um braço robótico de forma sem precedentes na história da ciência segundo um estudo publicado na revista médica The Lancet. Neste estudo, Jan Scheuermann, de 53 anos, paralisada do pescoço para baixo, foi capaz de mover um braço mecânico com destreza, segurando objetos com grande precisão. Para controlar o braço robótico foram implantados dois sensores no córtex cerebral da paciente. Cada um desses sensores percebe a atividade elétrica de cerca de 200 células cerebrais distintas. Segundo os pesquisadores, Jan foi capaz de controlar o braço mecânico no segundo dia de treinamento e a habilidade de movimentos evoluiu durante as 14 semanas que durou o estudo. Segundo o médico que acompanhou a paciente, ela adquiriu "coordenação, habilidade e velocidade quase similares às de uma pessoa de corpo não deficiente". Atualmente os cientistas estão tentando acoplar a mão de Jan a cadeira de rodas que ela usa.

No início de 2018, um outro estudo apontou que uma mulher que havia sofrido um Acidente Vascular Cerebral foi capaz de utilizar um braço robótico para servir-se de uma bebida pela primeira vez depois de quinze anos. Ainda nesta linha, pesquisadores de Stanford, indicaram que foram capazes de extrair as intenções de movimento de sinais cerebrais de pacientes tetraplégicos permitindo a utilização de tablets ligados aos sensores. Vale ressaltar que todos estes estudos foram conduzidos em laboratórios controlados e os cientistas não sabem como seria seu funcionamento no ambiente familiar dos pacientes. Para os pesquisadores Gregoire Courtine, Silvesto Micera, Jack DiGiovanna e José del Millan, o controle do braço retratado no estudo é uma conquista "tecnológica e biomédica incrível". Eles acrescentam que tecnologia do membro mecânico está chegando perto do ponto em que "poderá, em breve, se tornar um modelo revolucionário de tratamento" para portadores de paralisias.

No Brasil, o Jovem Luiz Fernando da Silva Borges, em 2018, desenvolveu um equipamento portátil que poderia traduzir os sinais de que estivesse em coma. Baseado em um estudo do neurocientista britânico Adrian Owen publicada na revista Science em 2006, no qual seria possível utilizar sinais de ressonância magnética para se comunicar com pessoas em coma. No estudo de Borges, um computador lê as reações do cérebro do paciente ao ouvir perguntas simples. Para isso é colocado no paciente uma touca com vários sensores conectados a sensores e um fone de ouvido para receber instruções. A máquina, segundo Borges, seria capaz de interpretar sinais vindos de diferentes partes do cérebro e traduzi-las em respostas positivas (sim) ou negativas (não). Em testes com pessoas saudáveis, seu sistema teve 80% de precisão em reconhecer os dois padrões de resposta. Borges testou o Hermes Braindeck em 50 voluntários.

Da mesma forma que experimentos tentam enviar informações do cérebro para as máquinas, o contrário também tem sido desenvolvido pelos cientistas. Levando estímulos externos de volta ao cérebro, permitindo que os pacientes sintam os toques em seus membros artificiais. Além do toque, estímulos que chegam da máquina até o cérebro como nossos sentidos básicos, visão e audição por exemplo, são alvos constantes deste ramo experimental da Neuroengenharia. Versões iniciais de olhos biônicos para pessoas com deficiência já são uma realidade e a cada ano que passa as versões comerciais são cada vez mais eficientes. Implantes cocleares por exemplo demonstram o grande sucesso de produtos bem concebidos e funcionais. Mais de 300 mil pessoas com algum tipo de deficiência auditiva utilizam os implantes atualmente.


OS ESTUDOS DE MIGUEL NICOLELIS
Um dos grandes ícones mundiais nas pesquisas de Neuroengenharia é o brasileiro Miguel Nicolelis, responsável pela apresentação de um exoesqueleto utilizado por um adolescente tetraplégico, na abertura da copa do mundo de 2014, que deu o chute inicial na partida de abertura entre Brasil e Croácia. Nicolelis, que é graduado pela Faculdade de Medicina da USP e doutorado pelo ICB, na última década foi considerado um dos 20 maiores cientistas em sua área pela revista Scientific American e pela revista Época. Também foi o primeiro cientista a receber, no mesmo ano, dois prêmios dos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos (NIH) e o primeiro brasileiro a ter um artigo publicado na capa da revista Science. Atualmente é coordenador do Projeto “Walk Again” (Andar de Novo), além de ser professor titular da Universidade de Duke na Carolina do Norte. Atualmente o cientista lidera um grupo de pesquisadores para integrar o cérebro humano a máquinas.

Em um dos últimos estudos publicados, Nicolelis foi capaz de enviar sinais elétricos captados diretamente do cérebro de um macaco Rhesus para um braço mecânico. Nada de novidade até aqui, porém, o macaco estava em um laboratório no Brasil enquanto o braço mecânico estava no MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) a quase mil quilômetros de distância. Segundo o estudo o macaco foi submetido a uma espécie de videogame e as atividades elétricas cerebrais responsáveis pelo movimento dos braços foi registrado em um computador. A partir disso, o braço foi programado para agir de acordo com os impulsos elétricos que surgissem na cabeça do macaco. Segundo os pesquisadores era como se o macaco movesse o braço pela internet utilizando o cérebro como um joystick. Nicolelis ressalta que este tipo de pesquisa pode ajudar na criação de um sistema integrado de locomoção de paraplégicos, sendo possível criar próteses neurais que leem a intenção motora de pacientes e transferem o movimento com eficiência para próteses mecânicas.

Para o cientista, o desenvolvimento da neurociência poderá, no futuro, libertar o cérebro do corpo, podendo marcar sua presença a distância, sendo possível por exemplo a exploração de ambientes inóspitos, ou até mesmo do espaço utilizando máquinas que sejam capazes de receber e transmitir movimentos e sensações mesmo em locais longínquos. Nicolelis ressalta ainda que a criação de próteses biônicas incorporadas as sensações e movimentos comandados pelo cérebro tem uma tendência a ser extremamente eficientes já que, segundo o cientista “quando nos tornamos proficientes no uso de ferramentas – como um violino, um mouse de computador ou um membro artificial – nosso cérebro provavelmente está alterando a imagem interna dos nossos corpos, para incorporar as ferramentas como extensões de nós mesmos”.


O QUE FALTA PARA A TECNOLOGIA ESTAR DISPONÍVEL
Apesar dos avanços da Neuroengenharia ela ainda não está disponível para os cidadãos comuns. Os BCIs (interfaces cérebro máquina) mais sofisticados desenvolvidos até a atualidade, os BCis bi-direcionais, ainda demostram que a ciência tem um grande caminho a percorrer. Um exemplo disso são os equipamentos capazes de produzir movimentos. Todos os protótipos demonstrados são muito lentos, muito menos precisos e permitem movimentos poucos complexos, quando comparados com a capacidade de um membro humano. Os olhos biônicos, por exemplo, oferecem visão de baixa resolução quando comparado com olhos normais e os implantes cocleares possuem capacidades limitadas de interpretação de sons mais complexos. Um outro problema que a Neuroengenharia enfrenta ainda, é que para a maioria destas tecnologias funcionarem é necessário que eletrodos sejam implantados cirurgicamente diretamente no cérebro dos pacientes, o que a maioria das pessoas não considera adequado no estágio atual do desenvolvimento tecnológico em que se encontram os equipamentos.

Um outro problema enfrentado pelos cientistas é a forma como nossos cérebros são estruturados. A rede neural formada por nossos neurônios é extremamente complexa e sofre constantes mudanças ao longo do tempo, o que dificulta a tentativa de interpretação de sinais pelos eletrodos de forma integrada. Um outro problema descrito pelos cientistas é o “idioma eletroquímico” utilizado pelo cérebro, tendo em vista que o cérebro trabalha não só a partir de impulsos elétricos através de seus neurônios, mas também, a partir da liberação de sinais químicos, os neurotransmissores, nas sinapses neurais estabelecidas entre os neurônios. Este tipo de comunicação cerebral dificulta a interpretação por circuitos elétricos de forma eficiente e completa.

Além dos problemas técnicos de interpretação do cérebro, existem ainda os problemas de ordem física ou mecânica, o que pode levar a danos nos tecidos cerebrais. O tecido cerebral é macio e flexível, enquanto a maioria dos eletrodos utilizados na elaboração dos equipamentos de Neuroengenharia tendem a ser rígidos e estruturalmente muito diferentes do cérebro podendo causar, além de danos irreversíveis, reações imunes de rejeição do equipamento fazendo com que o equipamento perca sua eficácia ao longo do tempo.

Finalmente, ainda temos as questões legais. Como podemos assegurar que as implantações dessas BCIs não irão afetar outras faculdades mentais do paciente e quem seria responsável se isso acontecesse? Ainda, quais as questões éticas envolvidas na criação de seres humanos biônicos e quais limites a implantação de estruturas em um corpo que realmente não necessite destas modificações?

Apesar de tudo isto os cientistas acreditam que o futuro da Neuroengenharia é promissor e que no ano de 2030 muito desses problemas estarão completamente resolvidos. Um dos grandes motivos para este otimismo, segundo cientistas da área, é que os BCIs não precisam ser perfeitos, nosso cérebro é incrivelmente adaptativo e seria capaz de aprender a utilizar estes equipamentos de forma semelhante como aprendemos novas habilidades, como tocar um instrumento ou a dirigir um carro. Realmente, o que temos até agora já é um avanço incrível dos BCIs se formos comparar ao que tínhamos a 10 anos atrás. Acredita-se que em um futuro não tão distante as interfaces neurais serão onipresentes. Apesar do funcionamento do cérebro ser um dos maiores enigmas da biologia, é evidente que a cada dia que passa damos um novo passo rumo a nos tornarmos biônicos.


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