Além dos limites do corpo

Você deve ter visto o filme Avatar, ou pelo menos ouviu falar dele por causa de seus efeitos 3D. No filme um soldado paraplégico entra num equipamento que permite que ele controle um avatar  (aqui e aqui) e interaja com o ambiente, tendo sensações e percepções do local. Outro exemplo do cinema, mas com uma roupagem diferente é a história do policial Alex Murphy que foi morto e ressuscitado como o ciborgue Robocop...

Figura 1. Pôster e cenas do filme Robocop(1987). Nesse filme um ciborgue (humano que possui partes mecânicas) é um policial que vive um conflito entre o seu lado máquina e as memórias humanas.  Fontes (respectivametnte): MoviePoster e ResistênciaNerd.

Esses filmes ainda são uma fantasia, mas o trabalho de Miguel Nicolelis e colaboradores publicado na Science TranslationalMedicine deu um passo nessa direção. Nicolelis faz parte de um projeto internacional chamado Walk Again Project (Projeto Andar de Novo). O objetivo principal desse projeto é criar a primeira interface cérebro máquina – ICM (do inglês, Brain-Machine Interface – IBM) capaz de restaurar a mobilidade em pessoas que possuem graus severos de paralisia. A ICM é um sistema híbrido que conecta o cérebro a máquinas. No caso do projeto, o objetivo é restaurar funções sensórias e motoras das pessoas com paralisias.

Figura 2. Um dos objetos e metas do Projeto Walk Again é fazer um adolescente com paralisia da cintura para baixo dar o chute inicial da Copa do Mundo de 2014. A imagem é uma simulação desse chute. Fonte: The Washington Post

A ICM em geral é investigada de forma unilateral – apenas um membro por vez (por exemplo, um braço). Ainda não era possível usar ICM com a capacidade de se movimentar com mais de um membro por vez. Quer dizer, não tinham.

Entretanto, a equipe de Nicolelis testou uma ICM com dois braços movimentando simultaneamente. O objetivo foi investigar as principais diferenças corticais para o controle dos movimentos dos braços durante uma tarefa com avatar e se seria possível para a ICM prever o comportamento quando houvesse restrição de movimentos. Essa pesquisa faz parte do Projeto Walk Again.

Para isso os cientistas colocaram microeletrodos para captar a atividade de cerca de 500 neurônios simultaneamente em macacos rhesus (é a primeira vez que cientistas conseguem isso). Esses microeletrodos foram colocados em áreas motoras nos dois hemisférios cerebrais. Com isso seria possível verificar se essa quantidade de neurônios é suficiente para controlar a ICM com dois braços. E um algoritmo decodificou essa informação neural em linguagem computacional.

A tarefa foi realizada com a apresentação de um avatar em primeira pessoa num monitor em frente ao macaco (ver vídeos). O macaco via apenas os braços do avatar, imitando o que seria a sua visão real dos braços. Também havia um joystick em frente ao animal. Esse modelo de tarefa é eficaz e faz com o que os macacos se engajem na tarefa.

O experimento era realizado da seguinte maneira: primeiro eram apresentados dois quadrados e o macaco tinha que colocar seus braços virtuais sobre eles por um tempo. Isso seria o controle inicial do movimento. Após isso os quadrados desapareciam e eram apresentados dois círculos em diferentes posições do campo visual. Então o macaco tinha que colocar suas mãos sobre esses círculos-alvo por um determinado tempo. Você pode se perguntar: por que os macacos fariam uma tarefa dessas? Eles faziam porque ganhavam uma dose de suco. E segundo Nicolelis, os macacos adoram suco, especialmente o de laranja do Brasil. 

Vídeo 1. Exemplo da tarefa realizada por um dos macacos e seu avatar. Nessa condição houve o uso do joystick.

A tarefa podia ser realizada com a) o controle cerebral e movimento dos dois braços, b) controle cerebral e sem movimento dos braços e c) com um membro (com somente um braço do avatar). Quando era permitido o controle das mãos, os macacos usavam o joystick. E é importante destacar que um dos macacos não utilizou o joystick nenhuma vez. Lembram-se do Projeto Walk Again? Os pesquisadores limitaram o uso do joystick para que o macaco aprendesse a tarefa apenas com o pensamento. Isso permite simular o aprendizado de uma pessoa com paralisia severa. O outro macaco também realizou a tarefa sem o uso dos braços, mas depois de usar os braços. 

Figura 3. Representação virtual de como seria o avatar de um macaco tocando objetos. Fonte: Laboratório de Miguel Nicolelis

Uma observação muito importante. Os braços dos macacos foram imobilizados de uma forma que o animal ficasse numa posição natural e aparentemente confortável. Os procedimentos da pesquisa, como a imobilização dos macacos e implementação dos microeletrodos, foram aprovados pela Duke University Institutional AnimalCare and Use Committee de acordo com National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (em pdf), dos Estados Unidos da América.

A quantidade de neurônios permitiu que os macacos controlassem os movimentos dos dois braços do avatar. O algoritmo foi capaz de prever a intenção do macaco em mover os braços a partir do padrão de atividade cerebral. Os resultados apontaram que os macacos aprenderam a utilizar a ICM. Conforme o desempenho na tarefa com os dois braços virtuais melhorava, havia uma difusão da plasticidade de áreas corticais do cérebro. Em outras palavras, parece que o cérebro dos macacos incorporou os braços do avatar às suas imagens corporais! E os macacos compreenderam que não era necessário o joystick para mover os braços, apenas pensar no movimento.

Vídeo 2. Exemplo da tarefa realizada por um dos macacos e seu avatar. Nessa condição não houve o uso do joystick, o macaco moveu o avatar apenas com o pensamento.

Essa tarefa de observação passiva (com os braços imobilizados) mostrou que é possível realizar a tarefa por meio da modulação cortical. Os registros corticais mostraram que as atividades corticais dos macacos são diferentes quando realizam a tarefa com um ou dois braços. Ainda, houve uma reorganização da representação cortical do avatar para a tarefa em que os macacos não podiam usar os braços. E os dois braços possuem uma representação própria, não sendo a soma direta das representações de cada braço.

Agora outras questões que ficam: como funcionaria a sensação e percepção de pessoas que utilizam neuropróteses como a proposta pelo Projeto Walk Again? A percepção corporal com a prótese seria semelhante a do corpo? Indo mais longe, imagine que num futuro próximo seja possível inserir próteses mecânicas no nosso corpo e que elas sejam controladas mentalmente no lugar de membros amputados. Como seria a percepção dessas próteses? Elas seriam incorporadas ao mapa topográfico do corpo? Ou elas seriam percebidas como uma extensão externa, como quando usamos um bastão, bengala ou óculos? Até podemos por um momento esquecer que são objetos externos, mas quando nos damos conta, lembramos que eles não fazem parte do nosso corpo.

Figura 4. Na ficção o Homem de Ferro criou um mecanismo que o mantém vivo e ainda um exoesqueleto que o torna extremamente forte, o protege e permite que ele voa (figura à esquerda e central). E como seria a vida de um “ciborgue”(à direita)?. Fontes (respectivamente): Fanpop, Maxon e NatalNeuro.

Com o passar do tempo as pessoas que perderam membros do corpo tem seu mapa sensorial e motor alterado, com as regiões vizinhas invadindo as regiões do membro ausente. Como isso ficaria em pessoas que não andam, ou perderam membros do corpo há muitos anos? Essas regiões absorvidas voltariam a “crescer”?

Figura 5. O poder do pensamento será capaz de controlar máquinas? Adaptado da sugestão de capa para a revista feita por  Miguel Nicolelis e colaboradores. Fonte: Miguel Nicolelis

Bem, são respostas que só a ciência poderá nos fornecer. As pesquisas psicofísicas e de percepção poderão ter um novo impulso ao se estudar essa população. Mas isso caberá ao futuro...

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Bruno Marinho de Sousa

Leia mais em:

P. J. Ifft, S. Shokur, Z. Li, M. A. Lebedev, M. A. L. Nicolelis, A Brain-Machine Interface Enables Bimanual Arm Movements in Monkeys. Sci. Transl. Med. 6 November 2013 5, 210ra154 DOI: 10.1126/scitranslmed.3006159 

Caso queira ler o artigo, entre na página do Instituto Internacional de Neurociências de Natal Edmond e Lily Safra (link http://www.natalneuro.org.br)