Saúde

Decodificando o movimento e a fala do cérebro de uma pessoa tetraplégica
Novas pesquisas identificam uma região do cérebro onde tanto as mãos imaginadas quanto as palavras faladas podem ser decodificadas, indicando uma região candidata promissora para implantes cerebrais para aplicações neuroprotéticas.
Por Lori Dajose - 01/04/2022


Cinco tipos de posições de agarrar as mãos. A equipe pediu ao participante do estudo que imaginasse esses movimentos das mãos e registrou a atividade cerebral do giro supramarginal enquanto o participante pensava. Crédito: S. Wandelt

Novas pesquisas identificam uma região do cérebro onde tanto as mãos imaginadas quanto as palavras faladas podem ser decodificadas, indicando uma região candidata promissora para implantes cerebrais para aplicações neuroprotéticas.

Todos os anos, as vidas de centenas de milhares de pessoas são severamente interrompidas quando perdem a capacidade de se mover ou falar como resultado de lesão na coluna vertebral, acidente vascular cerebral ou doenças neurológicas. No Caltech, neurocientistas do laboratório de Richard Andersen, professor de neurociência James G. Boswell, e líder e diretor do Tianqiao & Chrissy Chen Brain-Machine Interface Center, estão estudando como o cérebro codifica movimentos e fala, a fim de potencialmente restaurar essas funções aos indivíduos que as perderam.

As interfaces cérebro-máquina (BMIs) são dispositivos que gravam sinais cerebrais e os interpretam para emitir comandos que operam dispositivos auxiliares externos, como computadores ou membros robóticos. Assim, um indivíduo pode controlar tal maquinaria apenas com seus pensamentos. Por exemplo, em 2015, a equipe de Andersen e colegas trabalharam com um participante tetraplégico para implantar eletrodos de gravação em uma parte do cérebro que forma intenções de se mover. O IMC permitiu que o participante direcionasse um membro robótico para alcançar e pegar um copo, apenas pensando nessas ações.

Agora, uma nova pesquisa do laboratório Andersen identificou uma região do cérebro, chamada de giro supramarginal (SMG), que codifica movimentos de preensão e fala – indicando uma região candidata promissora para a implantação de IMCs mais eficientes que podem controlar vários tipos de próteses nos domínios de preensão e fala.

A pesquisa é descrita em um artigo publicado na revista Neuron em 31 de março. Sarah Wandelt, estudante de pós-graduação no programa de computação e sistemas neurais da Caltech, é a primeira autora do estudo.

A localização exata no cérebro onde os eletrodos são implantados afeta o desempenho do IMC e o que o dispositivo pode interpretar a partir de sinais cerebrais. No estudo de 2015 mencionado anteriormente, o laboratório descobriu que os IMCs são capazes de decodificar intenções motoras enquanto um movimento está sendo planejado e, portanto, antes do início dessa ação, se estiverem lendo sinais de uma região cerebral de alto nível que governa as intenções: o córtex parietal posterior (PPC). Implantes de eletrodos nessa área, então, poderiam levar ao controle de um repertório de movimentos muito maior do que áreas motoras mais especializadas do cérebro.
 
Devido à capacidade de decodificar a intenção e traduzi-la em movimento, um implante no PPC requer apenas que o paciente pense no desejo de agarrar um objeto, em vez de ter que visualizar cada um dos movimentos precisos envolvidos na preensão - abrir a mão, desdobrar cada dedo, colocando a mão em torno de um objeto, fechando cada dedo e assim por diante.

“Quando você estende a mão para pegar um copo de água, você não pensa conscientemente nos movimentos precisos envolvidos – você simplesmente pensa na ação desejada e suas áreas motoras mais especializadas fazem o resto”, diz Wandelt. “Nosso objetivo é encontrar regiões do cérebro que possam ser facilmente decodificadas por um IMC para produzir movimentos de compreensão total, ou mesmo fala, como descobrimos neste estudo”.

O SMG é uma região dentro do PPC. Estudos anteriores com primatas não humanos e ressonância magnética funcional (fMRI) realizados com humanos indicaram que o SMG foi ativado para movimentos de preensão. Nesta nova pesquisa, a equipe implantou uma série de microeletrodos no SMG de um participante tetraplégico e, em seguida, mediu a atividade cerebral enquanto a pessoa imaginava fazer movimentos de preensão. O implante de matriz de eletrodos, que tem 96 eletrodos de gravação em um chip quadrado de 4,4 por 4,2 milímetros, menor que a unha do polegar, mediu a atividade de 40 a 50 neurônios durante cada sessão de gravação. O estudo mostrou pela primeira vez que as populações de neurônios individuais no SMG humano codificam uma variedade de movimentos imaginados.

Em seguida, a equipe acompanhou pesquisas anteriores sugerindo que o SMG está envolvido nos processos de linguagem para ver se a fala pode ser decodificada a partir dos sinais neurais gravados no implante. Os pesquisadores pediram ao participante para falar palavras específicas e simultaneamente mediram a atividade do SMG. Esses experimentos mostraram que as palavras faladas, sejam tipos de preensão falada (por exemplo, posições das mãos chamadas de tripé de escrita ou pinça palmar) ou cores faladas (como "verde" ou "amarelo") podem ser decodificadas a partir da atividade neural. Isso sugere que o SMG seria uma boa região candidata para implantação de IMCs, pois os IMCs poderiam ser conectados a próteses que permitem que uma pessoa se mova e fale.

“A descoberta de uma área que codifica tanto a compreensão imaginada quanto as palavras faladas estende o conceito de IMCs cognitivos, nos quais os sinais de áreas cognitivas de alto nível do cérebro podem fornecer uma variedade muito grande de sinais cerebrais úteis”, diz Andersen. “Neste estudo, a atividade relacionada à fala foi para palavras faladas, e nosso próximo passo é ver se a fala imaginada, esse diálogo interno que temos conosco, também pode ser decodificada a partir do SMG”.

O artigo é intitulado "Decodificação de sinais de compreensão e fala do circuito de compreensão cortical em um humano tetraplégico" e é publicado na Neuron.

 

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