.
Engenheiros biomédicos e elétricos da UNSW Sydney desenvolveram uma nova maneira de medir a atividade neural usando luz – em vez de eletricidade – o que pode levar a uma releitura completa de tecnologias médicas, como próteses operadas por nervos e interfaces cérebro-máquina.
O professor François Ladouceur, da Escola de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da UNSW, diz que a equipe multidisciplinar acaba de demonstrar em laboratório o que provou teoricamente pouco antes da pandemia: que sensores construídos usando cristal líquido e tecnologias ópticas integradas – apelidados de ‘optrodes’ — pode registrar impulsos nervosos em um corpo animal vivo.
Esses optrodes não apenas funcionam tão bem quanto os eletrodos convencionais – que usam eletricidade para detectar um impulso nervoso – mas também abordam “questões muito espinhosas que as tecnologias concorrentes não podem resolver”, diz o Prof. Ladouceur.
“Em primeiro lugar, é muito difícil diminuir o tamanho da interface usando eletrodos convencionais para que milhares deles possam se conectar a milhares de nervos em uma área muito pequena.
“Um dos problemas quando você encolhe milhares de eletrodos e os coloca cada vez mais próximos para se conectar aos tecidos biológicos é que sua resistência individual aumenta, o que degrada a relação sinal-ruído, então temos um problema de leitura do sinal. este ‘descasamento de impedância’.
“Outro problema é o que chamamos de ‘crosstalk’ – quando você encolhe esses eletrodos e os aproxima, eles começam a conversar ou se afetar por causa de sua proximidade.”
Mas como os optrodes usam luz e não eletricidade para detectar sinais neurais, os problemas de incompatibilidade de impedância são redundantes e a diafonia minimizada.
“A vantagem real de nossa abordagem é que podemos tornar essa conexão muito densa no domínio óptico e não pagamos o preço que você tem que pagar no domínio elétrico”, diz o Prof. Ladouceur.
Demonstração ao vivo
Em uma pesquisa publicada recentemente no Journal of Neural Engineering, o Prof. Ladouceur e colegas pesquisadores da UNSW queriam mostrar que eles poderiam usar optrodes para medir com precisão os impulsos neurais enquanto viajam ao longo de uma fibra nervosa em um animal vivo.
O professor da Scientia Nigel Lovell, que dirige a Escola de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica e é diretor do Tyree Foundation Institute of Health Engineering, fez parte da equipe de pesquisa que procurou demonstrar isso em laboratório.
Ele diz que a equipe conectou um optrode ao nervo ciático de um animal anestesiado. O nervo foi então estimulado com uma pequena corrente e os sinais neurais foram registrados com o optrode. Em seguida, eles fizeram o mesmo usando um eletrodo convencional e um bioamplificador.
“Nós demonstramos que as respostas nervosas eram essencialmente as mesmas”, diz o Prof. Lovell. “Ainda há mais ruído na óptica, mas isso não é surpreendente, já que esta é uma tecnologia totalmente nova, e podemos trabalhar nisso. Mas, em última análise, podemos identificar as mesmas características medindo eletricamente ou opticamente.”
Novo amanhecer para próteses
Até agora, a equipe conseguiu mostrar que os impulsos nervosos – que são relativamente fracos e medidos em microvolts – podem ser registrados pela tecnologia optrode. O próximo passo será aumentar o número de optrodes para poder lidar com redes complexas de tecido nervoso e excitável.
O Prof. Ladouceur diz que no início do projeto, seus colegas se perguntaram, quantas conexões neurais um homem ou uma mulher precisa para operar uma mão com um grau de sutileza?
“Você pode pegar um objeto, pode avaliar o atrito, pode aplicar a pressão certa para segurá-lo, pode se mover de A para B com precisão, pode ir rápido e devagar – todas essas coisas que nem pense em quando realizamos essas ações. A resposta não é tão óbvia, tivemos que pesquisar bastante na literatura, mas acreditamos que sejam cerca de 5.000 a 10.000 conexões.”
Em outras palavras, entre o cérebro e a mão há um feixe de nervos que desce do córtex e eventualmente se divide naqueles 5.000 a 10.000 nervos que controlam as delicadas operações de sua mão.
Se um chip com milhares de conexões ópticas pudesse se conectar ao seu cérebro, ou a algum lugar no braço antes que o feixe nervoso se separe, uma mão protética poderia funcionar com a mesma capacidade que uma biológica.
Esse é o sonho, de qualquer forma, e o professor Ladouceur diz que provavelmente há décadas de pesquisas adicionais antes que se torne realidade. Isso incluiria desenvolver a capacidade de os optrodes serem bidirecionais. Eles não apenas receberiam e interpretariam sinais do cérebro a caminho do corpo, mas também receberiam feedback na forma de impulsos neurais voltando ao cérebro.
O longo jogo: interface cérebro-máquina
As próteses neurais não são o único espaço que a tecnologia optrode tem o potencial de redefinir. Os humanos há muito fantasiam sobre a integração de tecnologia e maquinário no corpo humano para repará-lo ou melhorá-lo.
Parte disso já é uma realidade, como implantes cocleares, marca-passos e desfibriladores cardíacos, sem mencionar relógios inteligentes e outros dispositivos de rastreamento que fornecem biofeedback contínuo.
Mas um dos objetivos mais ambiciosos da engenharia biomédica e da neurociência é a interface cérebro-máquina que visa conectar o cérebro não apenas ao resto do corpo, mas potencialmente ao mundo.
“A área de interface neural é um campo incrivelmente empolgante e será objeto de intensa pesquisa e desenvolvimento na próxima década”, diz o Prof. Lovell.
Embora isso seja mais ficção do que fato agora, existem muitas empresas de biotecnologia levando isso muito a sério. O empresário Elon Musk foi um dos cofundadores da Neuralink que visa criar interfaces cérebro-computador com potencial para ajudar pessoas com paralisia, além de incorporar inteligência artificial em nossas atividades cerebrais.
A abordagem da Neuralink usa eletrodos convencionais de fio em seus dispositivos, portanto, deve superar a incompatibilidade de impedância e a diafonia – entre muitos outros desafios – se quiserem desenvolver dispositivos que hospedem milhares, senão milhões, de conexões entre o cérebro e o dispositivo implantado. Recentemente, Musk foi relatado como frustrado com o ritmo lento no desenvolvimento da tecnologia.
O professor Ladouceur diz que o tempo dirá se a Neuralink e seus concorrentes conseguirão remover esses obstáculos. No entanto, dado que os dispositivos implantáveis in vivo que capturam a atividade neural estão atualmente restritos a cerca de 100 eletrodos, ainda há um longo caminho a percorrer.
“Não estou dizendo que é impossível, mas se torna realmente problemático se você ficar com eletrodos padrão”, diz o Prof. Ladouceur.
“Não temos esses problemas no domínio óptico. Em nossos dispositivos, se houver atividade neural, sua presença influencia a orientação do cristal líquido que podemos detectar e quantificar ao incidir luz sobre ele. Isso significa que não extrair corrente dos tecidos biológicos como os eletrodos de arame fazem. E assim o biossensor pode ser feito com muito mais eficiência.”
Agora que os pesquisadores mostraram que o método optrode funciona in vivo, eles publicarão em breve pesquisas que mostram que a tecnologia optrode é bidirecional – que pode não apenas ler sinais neurais, mas também escrevê-los.
.
