Primeiro bem-sucedido braço robótico controlado pela mente sem implantes no cérebro

PITTSBURGH, 19 de junho de 2019 /PRNewswire/ -- Uma equipe de pesquisadores da Universidade Carnegie Mellon, em colaboração com a Universidade de Minnesota, fez um grande progresso no campo do controle de dispositivo robótico não invasivo. Usando uma interface cérebro-computador (BCI – brain-computer interface) não invasiva, pesquisadores desenvolveram o primeiro bem-sucedido braço robótico controlado pela mente, capaz de rastrear e seguir continuamente o cursor de um computador.

Ser capaz de controlar dispositivos robóticos de forma não invasiva, usando apenas pensamentos, terá amplas aplicações, beneficiando em particular as vidas de pacientes com paralisia ou com distúrbios de movimentos.

As BCIs têm demonstrado bom desempenho no controle de dispositivos robóticos, usando apenas sinais sensoriais vindos de implantes cerebrais. Quando dispositivos robóticos podem ser controlados com alta precisão, eles podem ser usados para realizar uma variedade de tarefas cotidianas. Até agora, no entanto, as BCIs bem-sucedidas no controle de braços robóticos têm usado implantes cerebrais invasivos. Esses implantes requerem uma quantidade substancial de expertise médica e cirúrgica, para instalar e operar corretamente, sem mencionar os custos e riscos potenciais para os pacientes e, como tal, seu uso tem sido limitado a apenas alguns casos clínicos.

Um grande desafio na pesquisa da BCI é desenvolver tecnologia menos invasiva ou mesmo totalmente não invasiva, que possa permitir a pacientes com paralisia controlar seu ambiente ou membros robóticos usando seus próprios "pensamentos". Tal tecnologia de BCI não invasiva, se bem-sucedida, pode disponibilizar essa tecnologia tão necessária a inúmeros pacientes e, potencialmente, até mesmo à população em geral.

Entretanto, as BCIs que usam sensoriamento externo não invasivo, em vez de implantes cerebrais, recebem sinais mais "impuros", resultando na atual resolução mais baixa e controle menos preciso. Portanto, quando se usa apenas o cérebro para controlar um braço robótico, uma BCI não invasiva não resiste ao uso de dispositivos implantados. Apesar disso, os pesquisadores de BCI seguiram adiante, com os olhos no prêmio de uma tecnologia menos – ou não – invasiva, que possa ajudar os pacientes de todos os lugares, em uma base cotidiana.

O professor gestor e diretor do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade Carnegie Mellon, Bin He, está atingindo esse objetivo, uma descoberta essencial por vez.

"Conseguimos grandes progressos em dispositivos robóticos controlados pela mente usando implantes cerebrais. É uma ciência excelente", diz He. "Mas o controle não invasivo é o maior objetivo. Avanços em decodificação neural e a utilidade prática do controle do braço robótico não invasivo terão grandes implicações no desenvolvimento futuro de neurorrobótica não invasiva".

Usando técnicas originais de sensoriamento e aprendizagem de máquina, He e seu laboratório foram capazes de acessar sinais dentro do cérebro, conseguindo uma alta resolução de controle sobre o braço robótico. Com neuroimagem não invasiva e um paradigma de busca contínua original, He está superando os sinais ruidosos de eletroencefalograma (EEG) resultando em melhora significativa da decodificação neural baseada em EEG e facilitando o controle contínuo de dispositivo robótico em 2D em tempo real.

Usando uma BCI não invasiva para controlar um braço robótico que rastreia um cursor em uma tela de computador, pela primeira vez na história, He mostrou em sujeitos humanos que um braço robótico pode, agora, seguir o cursor continuamente. Embora braços robóticos controlados por seres humanos de forma não invasiva já seguiram, anteriormente, um cursor móvel em movimentos irregulares e discretos – como se o braço robótico estivesse tentando "acompanhar" os comandos do cérebro – agora segue o cursor de uma forma suave e contínua.

Em um documento publicado no jornal Science Robotics, a equipe estabeleceu uma nova estrutura que abrange e melhora os componentes do "cérebro" e do "computador" da BCI, por aumentar o engajamento e o treinamento do usuário, bem como a resolução espacial de dados neurais não invasivos através de imagem de fonte de EEG.

O documento, intitulado "Neuroimagens não invasivas aprimoram o rastreamento neural contínuo para controle de dispositivo robótico", mostra que o método único da equipe para resolver esse problema não apenas expandiu a aprendizagem da BCI em cerca de 60% para tarefas de centro-para-fora tradicionais, mas também aprimorou o rastreamento contínuo do cursor de um computador por mais de 500%.

A tecnologia também tem aplicações que podem ajudar muitas pessoas, por oferecer "controle mental" seguro, não invasivo, de dispositivos que podem possibilitar a elas interagir com seus ambientes e controlá-los. A tecnologia foi testada, até agora, em 68 sujeitos humanos fisicamente aptos (até 10 sessões para cada sujeito), incluindo controle de dispositivo virtual e controle de um braço robótico para busca contínua. A tecnologia é diretamente aplicável a pacientes e a equipe planeja conduzir estudos clínicos em um futuro próximo.

"Apesar de desafios técnicos com o uso de sinais não invasivos, estamos inteiramente comprometidos com o objetivo de levar essa tecnologia segura e econômica para as pessoas que possam se beneficiar dela", diz He. "Esse trabalho representa uma etapa importante em interfaces cérebro-computador não invasivas, uma tecnologia que algum dia pode se tornar uma tecnologia assistencial predominante que irá ajudar a todos, tal como os smartphones".

Esse trabalho foi apoiado, em parte, pelo Centro Nacional para Saúde Complementar e Integrativa (National Center for Complementary and Integrative Health), Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e AVC (National Institute of Neurological Disorders and Stroke), Instituto Nacional de Imagens Biomédicas e Bioengenharia (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering) e Instituto Nacional de Saúde Mental (National Institute of Mental Health).

Sobre a Faculdade de Engenharia (College of Engineering): A Faculdade de Engenharia da Universidade Carnegie Mellon é uma faculdade de engenharia altamente conceituada, que é conhecida por seu foco intencional em colaboração multidisciplinar em pesquisa. A faculdade é bem conhecida por trabalhar em problemas de importância científica e prática. Nossa cultura de "realizadores" está arraigada em tudo o que fazemos, resultando em métodos originais e resultados transformadores. Nosso aclamado corpo docente mantém um foco em administração e engenharia inovadores para produzir resultados transformadores que irão impulsionar a vitalidade intelectual e econômica de nossa comunidade, da nação e do mundo.

Sobre a Universidade Carnegie Mellon: A Carnegie Mellon (www.cmu.edu) é uma universidade privada, bem classificada internacionalmente, com programas em áreas como ciência, tecnologia, negócios, políticas públicas, humanidades e artes. Mais de 13.000 estudantes nas sete escolas e faculdades da universidade se beneficiam da pequena relação professor-estudante e de uma educação caracterizada por seu foco na criação e implementação de soluções para problemas do mundo real, colaboração interdisciplinar e inovação.

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FONTE Carnegie Mellon University College of Engineering