Tecnologia Científica

Pesquisadores da£o um passo em direção ao sistema de interface cérebro-computador de próxima geração
Em um estudo publicado nesta quinta-feira, 12, na Nature Electronics , a equipe de pesquisa demonstrou o uso de quase 50 desses neurograins auta´nomos para registrar a atividade neural em um roedor.
Por Brown University - 12/08/2021


Minaºsculos chips chamados neurograins são capazes de detectar a atividade elanãtrica no cérebro e transmitir esses dados sem fio. Crédito: Jihun Lee / Brown University

As interfaces cérebro-computador (BCIs) são dispositivos auxiliares emergentes que podem um dia ajudar pessoas com lesões cerebrais ou espinhais a se moverem ou se comunicarem. Os sistemas BCI dependem de sensores implanta¡veis ​​que gravam sinais elanãtricos no cérebro e usam esses sinais para acionar dispositivos externos como computadores ou pra³teses roba³ticas.

A maioria dos sistemas BCI atuais usa um ou dois sensores para amostrar atéalgumas centenas de neura´nios, mas os neurocientistas estãointeressados ​​em sistemas que são capazes de coletar dados de grupos muito maiores de células cerebrais .

Agora, uma equipe de pesquisadores deu um passo importante em direção a um novo conceito para um futuro sistema BCI - um que emprega uma rede coordenada de sensores neurais independentes e sem fio em microescala, cada um com o tamanho de um gra£o de sal, para registrar e estimular o cérebro atividade. Os sensores, chamados de "neurograins", gravam de forma independente os pulsos elanãtricos feitos por neura´nios em disparo e enviam os sinais sem fio para um hub central, que coordena e processa os sinais.

Em um estudo publicado nesta quinta-feira, 12, na Nature Electronics , a equipe de pesquisa demonstrou o uso de quase 50 desses neurograins auta´nomos para registrar a atividade neural em um roedor.

Os resultados, dizem os pesquisadores, são um passo em direção a um sistema que podera¡ um dia permitir o registro de sinais cerebrais com detalhes sem precedentes, levando a novos insights sobre como o cérebro funciona e novas terapias para pessoas com lesões cerebrais ou espinhais.

"Um dos grandes desafios no campo das interfaces cérebro-computador écriar maneiras de sondar o ma¡ximo possí­vel de pontos no cérebro", disse Arto Nurmikko, professor da Escola de Engenharia de Brown e autor saªnior do estudo. "Atéagora, a maioria dos BCIs eram dispositivos monola­ticos - um pouco como pequenas camas de agulhas. A ideia de nossa equipe era quebrar esse mona³lito em sensores minaºsculos que poderiam ser distribua­dos por todo o cortex cerebral. Isso éo que fomos capazes de demonstrar aqui."

A equipe, que inclui especialistas de Brown, Baylor University, University of California em San Diego e Qualcomm, começou o trabalho de desenvolvimento do sistema hácerca de quatro anos. O desafio era duplo, disse Nurmikko, que éafiliado ao Carney Institute for Brain Science de Brown. A primeira parte exigia o encolhimento da eletra´nica complexa envolvida na detecção, amplificação e transmissão de sinais neurais para os minaºsculos chips de neurograin de sila­cio. A equipe primeiro projetou e simulou a eletra´nica em um computador e passou por várias iterações de fabricação para desenvolver chips operacionais.
 
O segundo desafio foi desenvolver o hub de comunicação externa do corpo que recebe sinais desses minaºsculos chips. O dispositivo éum remendo fino, do tamanho de uma impressão digital, que se fixa ao couro cabeludo, fora do cra¢nio. Funciona como uma torre de telefone celular em miniatura, empregando um protocolo de rede para coordenar os sinais dos neura´nios, cada um com seu pra³prio enderea§o de rede. O patch também fornece energia sem fio para os neura´nios, que são projetados para operar usando uma quantidade ma­nima de eletricidade.

"Este trabalho foi um verdadeiro desafio multidisciplinar", disse Jihun Lee, pesquisador de pa³s-doutorado na Brown e principal autor do estudo. "Tivemos que reunir experiência em eletromagnetismo, comunicação de radiofrequência, projeto de circuitos, fabricação e Neurociênciapara projetar e operar o sistema de neurograin."

O objetivo deste novo estudo era demonstrar que o sistema poderia registrar sinais neurais de um cérebro vivo - neste caso, o cérebro de um roedor. A equipe colocou 48 neurograins no cortex cerebral do animal, a camada externa do cérebro, e registrou com sucesso sinais neurais caractera­sticos associados a  atividade cerebral esponta¢nea.

A equipe também testou a capacidade dos dispositivos de estimular o cérebro, bem como registrar a partir dele. A estimulação éfeita com pequenos pulsos elanãtricos que podem ativar a atividade neural. A estimulação éconduzida pelo mesmo centro que coordena o registro neural e pode um dia restaurar a função cerebral perdida por doença ou lesão, esperam os pesquisadores.

O tamanho do cérebro do animal limitou a equipe a 48 neurograins para este estudo, mas os dados sugerem que a configuração atual do sistema poderia suportar até770. Em última análise, a equipe prevaª aumentar para muitos milhares de neurograins, o que forneceria uma imagem atualmente inatinga­vel da atividade cerebral.

"Foi um esfora§o desafiador, pois o sistema exige transferaªncia de energia sem fio simulta¢nea e rede na taxa de megabits por segundo, e isso deve ser realizado sob uma área de sila­cio extremamente restrita e restrições de energia", disse Vincent Leung, um associado professor do Departamento de Engenharia Elanãtrica e de Computação de Baylor. "Nossa equipe fora§ou os limites para implantes neurais distribua­dos."

Ha¡ muito mais trabalho a ser feito para tornar esse sistema completo uma realidade, mas os pesquisadores disseram que este estudo representa um passo importante nessa direção.

"Nossa esperana§a éque possamos desenvolver um sistema que fornea§a novos insights cienta­ficos sobre o cérebro e novas terapias que possam ajudar as pessoas afetadas por lesões devastadoras", disse Nurmikko.

 

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