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Shelly Fan detalha possibilidades e explorações de metodologias e interfaces para implantes neurais, o que já se descobriu e quais são os possíveis caminhos.

Elon Musk não é o primeiro a propor a criação de uma empresa ou de um projeto de implantável cerebral, mas é fato que a publicidade e o dinheiro envolvidos em suas empreitadas fazem a diferença na hora de acreditar se algo vai mesmo para frente ou não. Mas mais do que o buzz possível de ser gerado e o investimento a ser conseguido, existem também algumas características técnicas (e éticas) que precisam ser consideradas na hora de se criar e popularizar um dispositivo invasivo como propõe ser o produto da Neuralink.

Foi pensando nisso que Rick Liebling do mailing The Adjacent Possible recomendou o artigo “A Brief Tour Through the Wild West of Neural Interfaces” de Shelly Fan para o SingularityHub como uma proposta de conversa a respeito do assunto. Nele, Fan comenta um artigo publicado na revista Nature, uma das maiores referências em artigos científicos, que aponta para o fato de que cada vez mais os eletrodos estão caindo em desuso em face de outros tipos de interfaces neurais capazes de usar outros estimulantes que não a eletricidade, mas a luz e substâncias químicas ou até mesmo duas fontes diferentes de uma só vez.

Segundo a pesquisa, enquanto muitas vezes conhecemos o caso de implantes cibernéticos, há outras possibilidades que envolvem também engenharia genética, mas que até agora só foram testados em animais — justamente por isso. De qualquer modo, Fan defende que esse tipo de proposta não deve ficar reservada apenas ao laboratório, mas chegar nas prateleiras da loja mais próxima — o que pode levar uns bons anos, mas não é uma hipótese impossível.

De fato, eletrodos são uma das tecnologias de interface cerebral mais avançadas e consolidadas no meio científico e um dos motivos para isso é que nossos neurônios se comunicam principalmente usando “picos” elétricos que, no entanto, são respaldados por reações químicas. Como Fan escreve, “a lógica é sólida: um eletrodo implantado pode ‘ouvir’ e gravar a conversa entre neurônios, e cada vez mais poderosos software podem ajudar a decodificar esse sinal.”

Nesse sentido, quando conseguimos finalmente decodificar essa comunicação, então conseguimos também, teoricamente, criar dados que sejam transferidos de um dispositivo para nosso cérebro. “Quando nosso código interno é quebrado — como no caso do Alzheimer, depressão ou epilepsia -, intervenções externas podem organizar as informações do sistema nervoso e recuperar sua função”, explica Fan. “O problema, argumenta, os professores do MIT Dr. James Frank, Marc-Joseph Antonini e Polina Anikeeva, é que precisaremos eventualmente ir além dos eletrodos implantáveis clássicos, porque eles não são suficientemente específicos. De fato, eles não atingem os tipos e grupos de neurônios necessários para reproduzir um pensamento ou uma ação. O resultado? Efeitos colaterais indesejáveis e imprevisíveis.”

Por outro lado, não é bem assim também que nosso cérebro funciona. Os padrões de atividade neural ocorrem de diferentes pontos de vista: neurônios sozinhos, redes neurais, ondas cerebrais… e tudo também em tempos diferentes. “É como se tentássemos É como se estivéssemos tentando tocar uma peça de piano específica ao ler uma partitura: você tem que tocar as notas certas e segurá-las com a força certa e durante um certo tempo, ou a ‘música’ neural irá parecer outra coisa completamente”, explica Fan.

Portanto, o futuro dos implantes neurais, segundo os autores do artigo publicado na Nature, é um produto que seja capaz de integrar múltiplos níveis de atividade cerebral. A forma mais fácil de fazer isso é integrando funções múltiplas — eletricidade, luz, química, magnetismo — em um mesmo implante. No caso do MiNDS (sigla para sistema de disposição de substância miniaturizado neural), é possível gravar regiões profundas do cérebro de primatas não-humanos e também estimulá-las. No entanto, no caso de implantes de longa data, eles precisam ser moles e biocompatíveis com o cérebro para reduzir problemas de cicatrização.

Por fim, Fan ainda comenta sobre a possibilidade real de se conectar o cérebro a um computador. Para isso, o dispositivo, então, deve ser realmente inteligente e fechado em um sistema próprio. “Em vez de estimular neurônios baseados em um protoclo pré-programado, esses implantes medem a atividade cerebral e aprendem apenas a interferir quando eles detectam anomalias. Desse modo, os implantes são menos possíveis de distorcer a função normal do cérebro — isto é, eles não irão bagunçar a noção de si mesmo e controle próprio de uma pessoa”, descreve a autora.

Já no caso do uso da luz, a optogenética se mostrou uma área de pesquisa que revolucionou a neurociência. Nesse caso, o método é geneticamente inserir proteínas sensíveis à luz, as chamadas opsinas, em neurônios. Quando ativadas por uma luz, que é normalmente azul, mas também pode-se usar praticamente todo o espectro -, a proteína forma um túnel por onde íons podem passar. Essa é a maneira como os neurônios natualmente funcionam, explica Fan, então a luz pode funcionar como um gatilho artificial para ativar ou inibir neurônios específicos. Graças à luz, os cientistas puderam “criar” memórias falsas em ratos ou apagar memórias indesejáveis também.

E já que tal técnica se utiliza de métodos da engenharia genética, um dos maiores alvos de interesse para uso é o caso da cegueira, especialmente porque olhos são fáceis de acessar e naturalmente são capazes de processar a luz. “Estudos preliminares já descobriram que a luz natural, através de proteínas optogenéticas dentro da retina, pode ajudar ratos a ‘ver’ e reagir a imagens de forma similar a ratos normais, apesar de as proteínas serem menos sensíveis que os sensores biológicos e originais dos olhos”, descreve o artigo.

Por conta disso, pesquisadores estão tentando encontrar uma forma de criar soluções mais sofisticadas, por exemplo com dispositivos wireless e em tamanho pequeno que pode ser inserido debaixo couro cabeludo. Em vez de usar baterias, esses dispositivos podem captar energia usando campos magnéticos que oscilam externamente. Fora isso, esses dispositivos também poderiam ser controlados digitalmente para modulação de sua intensidade e frequência na ativação de luz e atividade neural.

Outro estudo, descreve Fan, também usou uma técnica já existente na optogenética, mas de forma transformadora. Comparados à luz azul, os comprimentos de onda quase infravermelhas penetram facilmente no crânio e no tecido do cérebro sem dispersar, o que permite que regiões mais profundas do cérebro possam ser moduladas. Um time de engenheiros da Berkeley, por exemplo, criou nanopartículas que serviriam como lâmpadas que convertem esse tipo de comprimento de onda em uma luz tradicional à optogenética, que é a azul-verde, dentro do cérebro. Com isso, o time foi capaz de ativar neurônios dentro do cérebro de um rato ao usar esse tipo de luz por fora do crânio, assim almejando neurônios relacionados à depressão para que estes pudessem liberar dopamina.

Já no caso da metodologia química, Fan comenta que a ideia não é replicar formas antigas de liberar substâncias no cérebro, como antes já foi usado ao liberar dopamina no cérebro de pacientes com Parkinson. Na verdade, neste caso, os principais modos de se usar substâncias químicas no cérebro é com a ajuda de drogas projetadas especificamente para ativar determinados neurônios ou então uma combinação com optogenética para controlar os circuitos neurais.

O primeiro caso, comenta Fan, até chega a ser parecido com a optogenética, porém, em vez de usar proteínas sensíveis à luz, cientistas usam proteínas especificamente criadas para abrir canais que só se encaixarão com as drogas projetadas para essa finalidade. A tecnologia, conhecida como DREADD (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) permite que cientistas refinem seu controle sobre as redes neurais. No entanto, esses dispositivos também precisam de neurônios geneticamente alterados para funcionarem, então ainda não há nenhum teste em laboratório — pelo menos, não por enquanto. De qualquer modo, a ideia é que esse tipo de solução chegue ao mercado como uma espécie de pílula que você toma e consegue ter controle específico sobre seus circuitos neurais.

Já no caso da segunda forma, um estudo publicado recentemente combinou drogas com optogenética dentro de um implante “optofluido”. Isto é, trata-se de um implante mole e com uma espécie de plug substituível que pode ser reabastecido para estimulação química crônica — dopamina, então, é uma das substâncias favoritas, já que ela pode ser usada tanto no caso da depressão e Parkinson, além de ser capaz de reduzir danos aos tecidos neurais. “O implante pode ser controlado de forma remota com um smartphone, é minimamente invasivo e usa muito pouca energia. Por enquanto, o implante é usado em animais para estimular funções de redes neurais, mas o time está interessado em começar a testar em humanos”, detalha Fan.

Por fim, a eletricidade ressurge como uma metodologia de estimulante neuronal após o sucesso do projeto Walk Again, que usou implantes cerebrais como o Utah Array para ajudar pessoas com paralisia a reganhar movimento. Os microeletrodos, neste caso, usam técnicas de microfabricação de modo a criar esses eletrodos baseados em silício. São eles a inspiração para uma nova geração de implantes como é o caso do Neuropixel, que é capaz de fornecer mil áreas de gravação em sua superfície de 10mm.

Com isso, cientistas também começaram a explorar eletrodos moles e biocompatíveis que podem aumentar o prazo de validade de um implante. Já que o cérebro e os eletrodos duros não são compatíveis em suas propriedades mecânicas, esses tipos de eletrodos causam uma intensa reação de cicatrização em volta do implante, o que pode torná-lo inútil em algum momento. “O queridinho da mídia, Neuralink, por exemplo, usa eletrodos moles como água-viva que capturam a atividade cerebral de grupos muito menores de neurônios e, em teoria, seria capaz de reduzir a resposta de rejeição do cérebro. Outra ideia, o Neural Lace, adota a estrutura tipo sanduíche que permite a flexibilidade de acordo com seu hospedeiro e integração com os tecidos cerebrais. Em ratos, o tecido pôde de forma consistente estimular o cérebro por oito meses após o implante”, escreve Fan.

Outro exemplo que autora traz é o Neurogrid, que usa material biocompatível na ponta do eletrodo para reduzir o ruído. Segundo Fan, um estudo recente descobriu que esses tipos de materiais são capazes de carregar íons de forma mais fácil e transportá-los entre o cérebro e os eletrodos.

Por fim, uma das conclusões avaliadas por Fan é que o futuro dos implantes neurais são, pelo menos, bi-modais. “A transição dessa nova geração de implantes elétricos em clínicas poderá fornecer alternativas mais precisas que o que temos hoje. Mas quando combinadas a algoritmos inteligentes que permitem uma estimulação em ciclo fechado, e o alcance da substância química e a precisão da optogenética, seremos capazes de finalmente brincar com nossos cérebros assim como tocamos instrumentos musicais.”

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