Novas tecnologias farão os implantes no cérebro mais seguros e precisos

Quando Jan Scheuermann se voluntariou para um implante cerebral experimental, ela não tinha ideia de que estava fazendo história da neurociência. Scheuermann, 54 no momento da cirurgia, tinha sido paralisada por 14 anos devido a uma doença neurológica que cortou as conexões neurais entre seu cérebro e músculos. Ela ainda podia sentir seu corpo, mas não podia mover seus membros.

Não querendo desistir, Scheuermann tinha dois implantes elétricos de tamanho botão inseridos em seu córtex motor. Os implantes amarraram seu cérebro a um braço robótico através de dois cachos de cabos que se projetavam para fora de seu crânio. A aposta de Scheuermann valeu a pena. Com apenas alguns dias de prática, ela foi capaz de trazer uma barra de chocolate para si mesma, usando apenas sua mente para controlar a prótese.

Isso foi em 2012. O campo da interface cérebro-máquina está em chamas desde então.

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O protótipo neuroprostético já pode fazer o paralisado caminhar e os cegos verem novamente, os efeitos ainda estão longe de serem perfeitos. Vários exoesqueletos e implantes de retina estão constantemente fazendo seu caminho através de ensaios humanos, esforçando-se para chegar ao mercado de massa no final da década. Futuros implantes cerebrais podem ser ainda mais ousados, ajudando a restaurar a perda de memória nos idosos ou dando cérebros saudáveis um impulso.

Mas ainda não chegamos lá. E os eletrodos, o coração desses dispositivos, são parcialmente culpados.

Usar eletrodos para direcionar circuitos cerebrais específicos é como trazer uma bazuca para uma formiga.

A maioria dos eletrodos vem em uma matriz do tamanho de um selo que ativa qualquer neurônio que esteja perto. Usá-los para direcionar circuitos cerebrais específicos é como dar uma bazuca a uma formiga, você obterá o alvo, mas também estimulará milhares de outras células e potencialmente levará a efeitos não intencionais.

Eles também não gostam de ambientes biológicos. Os químicos no cérebro erodem os eletrodos ao longo do tempo, e o implante estrangeiro muitas vezes faz com que o tecido circundante cicatrize. Uma vez que o tecido cicatricial não pode conduzir eletricidade, torna o eletrodo inútil.

Para contornar essas questões, uma equipe de Harvard e Palo Alto Research Center voltou para a prancheta. Recentemente, eles publicaram pesquisas sobre um novo tipo de implante feito de minúsculas bobinas de cobre finas embutidas em silício. Ao contrário de seus antecessores, a micro mola usa ondas magnéticas ao invés de eletricidade para estimular o cérebro.

“Agora estamos muito apaixonados por essas bobinas”, disse o autor principal Dr. Shelley Fried observou na época. E na verdade estão. Em maio, a equipe está testando seu implante no córtex visual dos macacos, disse Fried no Singularity Hub. O objetivo? Recriar artificialmente os padrões de atividade que normalmente fazem os olhos enchergar, e fazerem os macacos “verem” o mundo sem nunca usar a sua visão.

O Ímã das maravilhas

Usando ímãs para ajustar a atividade do cérebro soa bizarro, mas os cientistas há muito aproveitaram campos magnéticos para tratar a depressão severa e ansiedade.

A terapia, a estimulação magnética transcraniana (TMS), geralmente envolve uma varinha em forma de figura 8 que os cientistas acenam sobre certas partes do crânio dos pacientes. O dispositivo fornece impulsos focados de ondas magnéticas que viajam através do crânio e acionam minúsculos campos elétricos. Dependendo da orientação dos campos, eles podem abalar ou atenuar a atividade de neurônios selecionados.

As ondas magnéticas também podem penetrar facilmente no tecido cicatricial, tornando-as ideais para uso a longo prazo.

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Mas TMS tem um problema de tamanho. “Mesmo as bobinas TMS mais precisas ativam regiões muito maiores sem qualquer seletividade”, diz Fried. Mesmo com esse bloqueio no já são fabricadas bobinas pequenas o suficiente para serem implantadas sem perder eficácia.

Usando um algoritmo, a equipe testou desenhos diferentes até que encontraram a configuração ótima do dispositivo: bobinas minúsculas de metal, cada mais delas mais fina do que um fio de cabelo. Normalmente as bobinas são inertes; Quando a eletricidade passa, eles geram campos magnéticos surpreendentemente fortes, fortes o suficiente para estimular os neurônios.

Por serem tão pequenas, as “micro-bobinas permitem um controle muito mais preciso da ativação”, a ponto de a equipe poder controlar especificamente certos tipos de neurônios dentro de uma fina seção vertical do córtex, explica Fried. As bobinas foram então envolvidas numa bainha de silício biocompatível. Isso torna o cérebro menos propensos a atacar o implante e diminui a chance de cicatrizes.

A equipe primeiro testou o seu dispositivo em fatias de um cérebro de rato em uma placa de Petri, para se certificar de que os micro bobinas poderiam ativar os neurônios confiavelmente.

“O implante funcionou consistentemente como um sonho: preciso, responsivo e seguro”.

Então, usando uma agulha fina, longa, eles inseriram as bobinas na área do cérebro do rato que controla o movimento do bigode. As bobinas foram amarradas aos cabos elétricos para alimentá-los, mas as gerações futuras provavelmente usarão tecnologias sem fio, diz Fried.

Quando os pesquisadores ativaram o dispositivo, o mouse mexeu seus bigodes, para frente, para trás ou para ambos, dependendo do padrão de estimulação. Em ensaios múltiplos, o implante funcionou consistentemente como um sonho: preciso, responsivo e seguro.

 

De olho no prêmio

Os resultados foram tão promissores que a equipe fez planos imediatos para colaborar com cientistas de primatas e testar o dispositivo com um objetivo terapêutico: restauração da visão.

O novo esforço será liderado pelo Dr. Richard Born, neurobiólogo da Harvard Medical School e um dos especialistas mundiais no córtex visual de primatas. As experiências iniciais focalizarão o uso de micro-espiras simples para induzir um amplo sentido de luz. Se tudo correr bem, a equipe seguirá com matrizes de bobinas para tentar induzir padrões mais espacialmente complexos.

Eles estão entrando em um campo florescente.

Várias próteses da retina já estão em desenvolvimento, todas dependendo de micro matrizes de eletrodos. Esses dispositivos, embora mudando a vida, geralmente só podem produzir imagens que são granuladas e preto e branco. Outra terapia potencial evita os implantes completamente, em vez de olhar para terapia genética e optogenética para dar aos pacientes cegos de volta a sua visão, uma ideia legal, mas que vem com seus próprios desafios.

“Ao inserir artificialmente a atividade no córtex visual, poderíamos ser capazes de enganar o cérebro para ‘ver’ as coisas sem precisar de olhos”.

O estudo de micro bobinas destaca-se em sua ambição. Em vez de tentar substituir a retina, a equipe está se concentrando no nó final do processamento de informações visuais: o córtex visual. O córtex visual é um computador mestre: sintetiza toda a informação proveniente dos olhos e transforma picos elétricos em objetos, rostos e movimento. Isso é tudo visão é: padrões de atividade.

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Ao inserir artificialmente uma atividade semelhante no córtex visual, poderemos enganar o cérebro para “ver” coisas sem precisar de olhos. A ideia tem sido difícil de testar com eletrodos, principalmente porque eles faltam delicadeza. Como os eletrodos geralmente espalham a ativação para neurônios não direcionados, eles introduzem tanto ruido nas imagens que são incompreensíveis.

Como a ativação que induzem é tão precisa, a micro bobina pode finalmente superar esse problema.

“As próteses implantadas no córtex visual podem ser usadas para tratar uma gama muito maior de disfunções visuais do que o dispositivo da retina”, diz Fried.

As próteses da retina estão principalmente limitadas a doenças degenerativas retinianas externas. Os dispositivos corticais, em contraste, “podem ser usados para praticamente todas as formas de cegueira, incluindo glaucoma, acidente vascular cerebral e até lesões oculares traumáticas”, explica.

E a visão é apenas o primeiro passo.

Se bem sucedida, as micro-espiras poderiam ser testadas em outras regiões do cérebro, como as que foram devastadas pela doença de Parkinson ou pela depressão. Eles poderiam até ser usados para aumentar as próteses neurais existentes, tais como implantes cocleares. Fora do cérebro, eles poderiam ser usados para estimular os milhões de neurônios no intestino, o que pode ajudar as pessoas com síndrome do intestino irritável ou até mesmo obesidade.

Embora micro bobinas estão apenas começando a serem testadas em primatas, essas aplicações podem não estar tão longe. Se os experimentos com primatas forem bem-sucedidos, a mesma tecnologia será otimizada para testes humanos. A equipe espera começar testes humanos em 2018.

“Eu acho que é muito cedo para dizer que as bobinas vão ser o método do futuro, mas eu acho que há uma possibilidade que elas podem”, diz Fried.

Fonte: Singularity Hub

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