Interfaces cérebro-computador, ou BCIs, possuem um potencial imenso para indivíduos com uma vasta gama de condições neurológicas, mas a implementação dessa tecnologia, tanto nas versões invasivas quanto não invasivas, apresenta desafios complexos. Bin He, da Universidade Carnegie Mellon, está determinado a melhorar BCIs não invasivos e sua equipe utiliza um inovador dispositivo portátil de eletroencefalograma (EEG) para expandir os limites do que é possível. Pela primeira vez registrado, o grupo integrou com sucesso estimulação por ultrassom focalizado para alcançar uma BCI bidirecional que tanto codifica quanto decodifica ondas cerebrais usando aprendizado de máquina em um estudo com 25 indivíduos humanos. Este trabalho abre uma nova via para melhorar significativamente não apenas a qualidade do sinal, mas também o desempenho geral de BCIs não invasivos ao estimular circuitos neurais específicos.
BCIs não invasivos são elogiados por serem acessíveis, seguros e praticamente aplicáveis a todos, mas devido ao fato de que os sinais são registrados no couro cabeludo ao invés de dentro do cérebro, a baixa qualidade do sinal apresenta algumas limitações. O grupo de He está explorando maneiras de melhorar a eficácia dos BCIs não invasivos e ao longo do tempo tem utilizado abordagens de aprendizado profundo para decodificar o que um indivíduo está pensando e facilitar o controle de um cursor ou braço robótico. Em sua pesquisa mais recente, publicada na Nature Communications, o grupo de He demonstrou que através de neuromodulação não invasiva de precisão usando ultrassom focalizado, o desempenho de um BCI poderia ser melhorado para comunicação. “Este artigo relata um avanço em BCIs não invasivos ao integrar uma estimulação por ultrassom focalizado para realizar funcionalidade bidirecional em BCIs”, explicou Bin He, professor de engenharia biomédica na Universidade Carnegie Mellon.
“Usando um prótese de comunicação, 25 sujeitos humanos soletraram frases como ‘Carnegie Mellon’ usando um dispositivo de soletração BCI. Nossos achados mostraram que a adição de neuromodulação por ultrassom focalizado aumentou significativamente o desempenho de BCIs baseados em EEG. Também elevou a oscilação neural teta que melhorou a atenção e levou a um melhor desempenho do BCI.” Para contextualizar, um dispositivo de soletração BCI é um auxílio visual de movimento 6×6 que contém todo o alfabeto e é comumente usado por pessoas não falantes para se comunicar. No estudo de He, os sujeitos usaram um boné de EEG e apenas olhando para as letras, foram capazes de gerar sinais EEG para soletrar as palavras desejadas. Quando um feixe de ultrassom focalizado foi aplicado externamente na área V5 (parte do córtex visual) do cérebro, o desempenho do BCI não invasivo melhorou significativamente entre os sujeitos.
A BCI integrada com neuromodulação alterou ativamente o engajamento dos circuitos neurais para maximizar o desempenho do BCI, comparado aos usos anteriores que consistiam apenas no processamento e decodificação dos sinais registrados. “A Iniciativa BRAIN tem apoiado mais de 60 projetos de ultrassom desde sua criação. Esta aplicação única de tecnologias de gravação e modulação não invasivas expande o arsenal, com um impacto potencialmente escalável na assistência a pessoas com deficiências de comunicação”, disse a Dra. Grace Hwang, diretora de programa da iniciativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies® (A Iniciativa BRAIN®) no National Institutes of Health (NIH). Após esta descoberta, o laboratório de He está investigando ainda mais os méritos e aplicações da neuromodulação por ultrassom focalizado no cérebro, além do sistema visual, para melhorar os BCIs não invasivos.
Eles também têm como objetivo desenvolver um dispositivo de neuromodulação por ultrassom focalizado mais compacto para uma melhor integração com BCIs baseados em EEG, e integrar IA para continuar a melhorar o desempenho geral do sistema. “Este é meu interesse de vida, e eu nunca desistirei”, enfatizou He. “Trabalhar para melhorar a tecnologia não invasiva é difícil, mas eu acredito firmemente que se conseguirmos fazer isso funcionar, todos se beneficiarão. Continuarei trabalhando e, um dia, a tecnologia salvadora de vidas não invasiva estará disponível em todos os lares.”