Interface Cérebro-Computador

Introdução

À medida que aumenta a capacidade dos computadores modernos, juntamente com nosso conhecimento sobre o cérebro humano, a ficção científica se aproxima cada vez mais da realidade. Imagine poder transmitir sinais para o cérebro de uma pessoa e fazer com que ela consiga ver, ouvir ou sentir tudo a sua volta. Pense na possibilidade de manipular computadores ou máquinas com um simples pensamento. Não se trata apenas de comodidade - para pessoas com graves deficiências, o desenvolvimento de uma interface cérebro-computador (BCI da sigla em inglês para Brain Computer Interface) pode representar o maior avanço tecnológico em muito tempo. Neste artigo, aprenderemos tudo sobre o funcionamento e limitações da BCI, bem como sobre seus possíveis usos no futuro.





O Cérebro Elétrico

A BCI funciona graças à maneira como nosso cérebro funciona. Nossos cérebros estão cheios de neurônios, células nervosas conectadas umas às outras através de dendritos e axônios. Cada vez que pensamos, nos movemos, sentimos ou lembramos de alguma coisa, nossos neurônios estão trabalhando. Esse trabalho é realizado graças a pequenos sinais elétricos que são transmitidos de neurônio a neurônio a uma velocidade de 111,75 m/s. Esses sinais são gerados pelas diferenças de potencial elétrico causadas pelos íons presentes na membrana de cada neurônio.

Apesar dos caminhos percorridos pelos sinais elétricos estarem envoltos por uma substância chamada mielina, alguns deles conseguem escapar. Os cientistas conseguem detectar esses sinais, interpretar seus significados e usá-los para manejar alguns tipos de dispositivo. E vice-versa. Por exemplo, os pesquisadores poderiam descobrir quais sinais são enviados ao cérebro pelo nervo óptico quando uma pessoa vê a cor vermelha. Eles poderiam, então, montar uma máquina fotográfica que enviaria esses mesmos sinais ao cérebro de uma pessoa sempre que a máquina visse a cor vermelha, permitindo, assim, que uma pessoa cega "enxergasse" sem os olhos.


Neuroplasticidade

Durante anos, o cérebro de um adulto foi visto como algo estático. Acreditava-se que o cérebro só se desenvolvia e se adaptava a novas experiências até uma certa idade e que, depois disso, ele se estabilizava.

No começo dos anos 90, pesquisas mostraram que, de fato, o cérebro continua mudando, até na velhice. Esse conceito, conhecido como neuroplasticidade, significa que o cérebro é capaz de se adaptar de maneira incrível a novas situações. Aprender coisas novas ou participar de atividades diferentes forma novas conexões entre os neurônios e reduz o risco de problemas neurológicos próprios da idade. Se um adulto sofre um trauma cerebral, outras partes do cérebro são capazes de assumir as funções da parte danificada.

Por que isso é importante para a BCI? Porque significa que um adulto pode aprender a operar com uma BCI, fazendo com que seu cérebro forme novas conexões e se adapte a esse novo uso dos neurônios. Quando implantes são utilizados, o cérebro consegue acomodar esse suposto intruso e desenvolver novas conexões que tratarão o implante como se fosse uma parte natural do cérebro.


Entradas e saídas da BCI

Um dos grandes desafios enfrentados atualmente pelos pesquisadores da interface cérebro-computador é o mecanismo básico da própria interface. O método mais simples e menos invasivo é um conjunto de eletrodos – conhecido como electroencefalograma (EEG) – aplicado no couro cabeludo. Os eletrodos podem ler os sinais do cérebro. Entretanto, o crânio bloqueia muitos dos sinais elétricos e distorce o que passa por ele.





Para conseguir um sinal com melhor resolução, os cientistas devem implantar os eletrodos diretamente na matéria cinzenta do próprio cérebro , ou na superfície do mesmo, sob o crânio. Isso permite uma melhor recepção dos sinais elétricos e a implantação dos eletrodos na área especifica do cérebro onde os sinais correspondentes são gerados. Entretanto, esse método apresenta diversos problemas já que ele requer uma cirurgia invasiva para a colocação dos eletrodos. Além disso, dispositivos deixados no cérebro por muito tempo tendem a causar a formação de cicatrizes na matéria cinzenta. Essas cicatrizes também bloqueiam os sinais.

Independentemente da localização dos eletrodos, o mecanismo básico é o mesmo: os eletrodos medem, a cada minuto, as diferenças de voltagem entre os neurônios. O sinal é então ampliado e filtrado. Nos sistemas atuais da BCI, isso é interpretado por um programa de computador, diferentemente dos antigos encefalogramas onde os sinais eram enviados a uma caneta que desenhava automaticamente os traçados numa folha contínua de papel.

No caso do dispositivo sensorial BCI, a função ocorre de forma inversa. Um computador converte o sinal, tal como o de uma câmera de vídeo, nas voltagens necessárias para desencadear os neurônios. Os sinais são enviados ao implante localizado na área correspondente do cérebro, e se tudo funcionar bem, os neurônios enviam e a pessoa recebe uma imagem visual que corresponde ao que a câmera está vendo.

Outra forma de medir a atividade cerebral é através de uma Imagem de Ressonância Magnética (IRM). O aparelho de IRM é um equipamento enorme e complicado. Ele produz imagens de alta resolução da atividade cerebral, mas pode ser usado como parte de uma BCI permanente ou semi permanente. Os pesquisadores o usam para definir os pontos de referência de certas atividades cerebrais e determinar a localização dos eletrodos no cérebro a fim de medir uma determinada função. Por exemplo, se os pesquisadores estiverem tentando implantar eletrodos que permitirão que alguém controle um braço mecânico com seus pensamentos, eles devem, primeiro, fazer uma ressonância magnética na pessoa e pedir que ela pense em mexer seu braço de verdade. A IRM mostrará qual área do cérebro está ativa durante o movimento do braço, dando-lhes uma idéia melhor da localização certa dos eletrodos.


Usos da BCI

Uma das áreas mais interessantes da pesquisa sobre a BCI é o desenvolvimento de dispositivos que podem ser controlados pelo cérebro. Alguns dos usos desta tecnologia podem parecer inúteis, como a capacidade de controlar um videogame com o pensamento. Se você acha que o controle remoto é prático, imagine mudar os canais com sua mente.

Entretanto, existe uma perspectiva maior – dispositivos que permitirão que pessoas com sérias deficiências tenham uma vida melhor. Para um tetraplégico, algo básico como poder controlar o cursor do computador através de comandos cerebrais representaria uma melhoria considerável da qualidade de vida. Mas como transformar esses pequenos medidores de voltagem em movimentos de um braço mecânico?

Pesquisas recentes utilizaram macacos com eletrodos implantados. Os macacos usaram um joystick para controlar um braço mecânico e os cientistas mediam os sinais provenientes dos eletrodos. Ocasionalmente, eles mudavam os controles para que o braço mecânico fosse controlado apenas pelos sinais provenientes dos eletrodos, em vez do joystick.





Uma tarefa muito mais difícil é interpretar os sinais do cérebro relativos ao movimento em alguém que não consegue movimentar seu braço. Nesse caso, a pessoa deve "treinar" para usar o dispositivo. Através de um EEG ou um implante, a pessoa pode visualizar o movimento de fechar sua mão direita. Depois de muitas tentativas, o software consegue reconhecer os sinais associados ao pensamento de fechar a mão. O software conectado à mão mecânica é programado para receber o sinal "mão fechada" e interpretá-lo de forma a que a mão se feche. Nesse momento, quando a pessoa pensa em fechar a mão, os sinais são enviados e a mão mecânica se fecha.

Um método similar é usado para manipular o cursor do computador, com a pessoa pensando em movimentos do cursor para frente, para trás, para direita e para esquerda. Com alguma prática, os usuários podem controlar o cursor a ponto de desenhar um círculo, acessar programas de computador e controlar a TV. Teoricamente, isso poderia ser aperfeiçoado para permitir que os usuários "digitassem" com o pensamento.

Quando os mecanismos básicos de conversão de pensamentos em ações mecânicas estiverem perfeitos, os possíveis usos da tecnologia serão quase ilimitados. Em vez de uma mão mecânica, usuários deficientes poderão ter braços mecânicos acoplados a seus próprios corpos, permitindo que eles mexam e interajam diretamente com o ambiente. Isso poderia ser alcançado sem a parte "mecânica" do dispositivo. Sinais poderiam ser enviados aos nervos responsáveis pela movimentação das mãos, contornando a parte danificada da medula espinhal e permitindo o movimento das próprias mãos.


Entrada sensorial

A maneira mais comum e tradicional de se utilizar uma BCI é sob a forma de um implante coclear. Em uma pessoa sem deficiências, ondas sonoras entram pelo ouvido e passam por diversos pequenos órgãos que transmitem a vibração dos nervos auditivos na forma de um sinal eléctrico. Se o mecanismo do ouvido estiver seriamente danificado, essa pessoa não poderá ouvir nada. Entretanto, os nervos auditivos podem estar funcionando perfeitamente bem, eles apenas não estão recebendo os sinais.



Stephane de Sakutin/AFP/Getty Images (em inglês)
O Dr. Peter Brunner demonstra a interface cérebro-computador numa conferência em Paris


Um implante coclear contorna a parte do ouvido que não funciona, transforma as ondas sonoras em sinais elétricos e os transmite diretamente aos nervos auditivos, através dos eletrodos. O resultado: uma pessoa que antes era surda agora pode ouvir. Ela pode até não ouvir perfeitamente bem, mas ela consegue participar de conversas.

O processamento da informação visual pelo cérebro é muito mais complexo que o da informação auditiva, e por isso, o olho artificial não está tão desenvolvido. De qualquer forma, o princípio é o mesmo. Eletrodos são implantados no córtex visual, a área do cérebro que processa a informação visual das retinas, ou perto dele. Um par de óculos com uma pequena câmera é conectado ao computador que, por sua vez, está ligado aos implantes. E a pessoa consegue enxergar depois de um período de treino similar ao necessário para os movimentos controlados pelos pensamentos. Neste caso, a visão também não é perfeita, mas alguns pequenos ajustes tecnológicos fizeram com que o mecanismo melhorasse consideravelmente desde sua primeira tentativa nos anos 70. Jens Naumann foi o receptor de um implante de segunda geração. Ele era completamente cego, mas agora consegue andar sozinho no metrô de Nova York e até dirigir um carro em um estacionamento [fonte: CBC News]. Aqui a ficção científica se aproxima, e muito, da realidade. Os terminais que conectam os óculos com câmeras aos eletrodos no cérebro de Naumann são parecidos aos usados para conectar o VISOR (sigla em inglês para instrumento visual e substituição de órgãos sensoriais) usado pelo oficial de engenharia cego Georgi La Forge na série de TV e nos filmes "Star Trek: A Nova Geração", e eles usam basicamente a mesma tecnologia. Entretanto, Naumann não consegue ver partes invisíveis do espectro eletromagnético.


Controle de Pensamentos?

Se conseguimos mandar sinais sensoriais para o cérebro de uma pessoa, isso significa que devemos nos preocupar com a possibilidade de controlar pensamentos? Provavelmente não. Enviar um sinal sensorial relativamente simples é bastante difícil. Os sinais necessários para fazer com que alguém aja de forma involuntária vão muito além da tecnologia de hoje. Ademais, os controladores de pensamento teriam que raptar você e implantar eletrodos através de um procedimento cirúrgico extenso, algo que você com certeza perceberia.


Avanços e limitações da BCI

Ainda que já entendamos os princípios básicos da BCI, eles não funcionam perfeitamente bem. E existem muitas razões para isso.

1º) O cérebro é extremamente complexo. Dizer que todos os pensamentos e ações são o resultado de simples sinais elétricos no cérebro é subestimar sua capacidade. Existem cerca de 100 bilhões de neurônios no cérebro humano. Cada neurônio está constantemente enviando e recebendo sinais através de uma complexa rede de conexões. Existem também alguns processos químicos envolvidos que os EGGs não conseguem captar.

2º) O sinal é fraco e sujeito a interferências. Os EEGs medem apenas pequenos potenciais elétricos. Algo tão simples como piscar pode gerar sinais muito mais fortes. Melhorias nos EEGs e nos implantes poderão, de alguma forma, superar no futuro, mas por enquanto, ler sinais cerebrais é como ouvir uma ligação de telefone ruim. Há muita estática.

3º) E o equipamento não é portátil. É muito melhor do que já foi – os primeiros sistemas eram conectados, através de fios, a enormes computadores centrais. Mas algumas BCIs ainda requerem uma conexão ao computador através de fios, e aquelas que são sem fio necessitam que a pessoa carregue um computador que pesa 4,5 quilos. Mas, como toda tecnologia, espera-se que ela fique mais leve e que não precise mais de fios no futuro.