O campo da neurociência e da tecnologia de interface cérebro-computador está avançando rapidamente, com desenvolvimentos ocorrendo nos lados de hardware e software da equação. As descobertas passaram do domínio da experimentação para o da indústria, onde podem ser úteis para os consumidores finais. Há várias empresas na vanguarda do desenvolvimento e produção de dispositivos BCI que são eficientes, seguros e confiáveis ​​para uso por aqueles que podem se beneficiar ao máximo deles. Entre essas empresas está a Neuralink. A Neuralink, cofundada em 2016 por Musk, Hodak e Merolla, aspira desenvolver um dispositivo generalizado de entrada e saída que possa interagir com todo o cérebro a longo prazo. Para tornar realidade essa ambição de longo prazo, eles estão se concentrando no plano de curto prazo de desenvolver dispositivos BCI que possam interagir com uma parte específica do cérebro e ajudar o usuário a realizar tarefas específicas, como navegar em um dispositivo móvel. No ano passado, a equipe demonstrou um macaco implantado com o dispositivo fabricado pela Neuralink jogando pingue-pongue mental em um computador. Este ano, a equipe dedicada de engenheiros e neurocientistas demonstrou o progresso atual do dispositivo Neuralink, as possíveis aplicações e as perspectivas futuras da empresa no show and tell que aconteceu em 30 de novembro de 2022. Elon, que presidiu a reunião , também mencionou que a empresa solicitou ao FDA a liberação do uso do dispositivo em humanos e espera receber uma resposta da agência em aproximadamente seis meses. No ano passado, a equipe demonstrou um macaco implantado com o dispositivo fabricado pela Neuralink jogando pingue-pongue mental em um computador. Este ano, a equipe dedicada de engenheiros e neurocientistas demonstrou o progresso atual do dispositivo Neuralink, as possíveis aplicações e as perspectivas futuras da empresa no show and tell que aconteceu em 30 de novembro de 2022. Elon, que presidiu a reunião , também mencionou que a empresa solicitou ao FDA a liberação do uso do dispositivo em humanos e espera receber uma resposta da agência em aproximadamente seis meses. No ano passado, a equipe demonstrou um macaco implantado com o dispositivo fabricado pela Neuralink jogando pingue-pongue mental em um computador. Este ano, a equipe dedicada de engenheiros e neurocientistas demonstrou o progresso atual do dispositivo Neuralink, as possíveis aplicações e as perspectivas futuras da empresa no show and tell que aconteceu em 30 de novembro de 2022. Elon, que presidiu a reunião , também mencionou que a empresa solicitou ao FDA a liberação do uso do dispositivo em humanos e espera receber uma resposta da agência em aproximadamente seis meses.

Progresso atual

Para o show and tell deste ano, a equipe demonstrou um macaco movendo um cursor na tela do computador para selecionar o texto realçado no teclado virtual usando apenas sua atividade mental. Embora um macaco não saiba escrever e seja treinado apenas para selecionar a tecla destacada, uma pessoa tetraplégica ou tetraplégica pode usar esse dispositivo para escrever e navegar em um computador apenas usando sua atividade cerebral. Microfabricado em arranjos de filme fino flexível chamados “threads” embutidos com eletrodos, um dispositivo N1 de 1024 canais foi implantado no cérebro do macaco. O dispositivo transmite a atividade neural para o software sem fio para posterior análise e decodificação.

Robô R1 e Engenharia Cirúrgica

O robô R1, que é semelhante a um robô de costura, pode realizar cirurgias seguras e escaláveis ​​graças a seus recursos como agarramento e inserção precisos, rastreamento preciso de movimentos cerebrais e prevenção vascular. Eles também montaram uma pilha óptica na agulha, que consistia em três partes: iluminação para visualizar a imagem visível, um sistema de interferometria a laser OCT (tomografia de coerência óptica) que forneceu a posição precisa do cérebro enquanto ele se movia em tempo real, e imagens visíveis da região do cérebro onde o fio precisava ser inserido. Atualmente, o robô R1 apenas insere os fios, o que deixa a craniectomia — retirada de uma pequena porção do crânio para expor a dura-máter e depois a descamação da dura-máter na pequena porção para expor a região do cérebro — para os neurocirurgiões. A equipe está atualmente trabalhando em uma maneira de automatizar a craniectomia, ou o processo de cortar o crânio para alcançar a dura-máter, para a próxima geração do R1 Robot. Uma demonstração ao vivo do robô injetando os fios em um proxy cerebral também foi mostrada.

Detecção de pico

O dispositivo N1 requer energia como qualquer outro dispositivo eletrônico para registrar a atividade neural e enviá-la ao software para decodificação e implementação de tarefas. Os engenheiros conseguiram reduzir o uso de energia do chip para 32 mV ao incluir um módulo de detecção de pico, que permite a transmissão de eventos de pico em vez da atividade neural bruta para o software, alcançando assim a funcionalidade desejada enquanto usa menos energia. Isso é obtido aplicando um filtro passa-faixa com uma faixa de frequência de 500 Hz a 5 kHz à atividade cerebral bruta e, em seguida, gerando um limite adaptativo com base em uma estimativa do piso de ruído para cada canal individual. O módulo detector de pico pode detectar não apenas a presença do pico, mas também sua forma aproximada, localizando três pontos no pico: os pontos esquerdo, médio e direito. Isso é crucial para a diferenciação entre grupos de neurônios adjacentes a um único canal. Com essa técnica, eles também reduziram em 30% os acessos à memória dentro do chip.

Carregamento da bateria

A bateria do dispositivo N1 também apresenta algumas inovações impressionantes. A transferência de energia sem fio é usada para carregar a bateria embutida. Como estava ligado a um implante no cérebro, havia algumas dificuldades a serem superadas. O sistema deve operar em um amplo volume de carregamento sem depender de ímãs para alinhamento. Além disso, a superfície externa do implante que entra em contato com o tecido cerebral não deve ficar acima de 2 graus Celsius e deve ser resistente a interrupções e altas taxas de carga. Em sua iteração atual, a bateria utiliza uma caixa de alumínio, um circuito de acionamento operando a 6,78 MHz, uma bobina remota que pode ser removida, frequências de comutação mais altas e melhor acoplamento da bobina. Para acelerar o processo de carregamento,

Decodificação Neural

A trajetória do cursor é prevista a partir da atividade neural, passando-a por uma rede neural treinada para decodificar a velocidade do cursor chamada de decodificador neural. O decodificador é treinado primeiro com eventos de pico vindos do dispositivo N1 enquanto o macaco move o ponteiro usando um joystick. A velocidade do cursor é prevista usando o decodificador para mapear a trajetória do cursor. Embora digitar em um teclado virtual seja rápido, não é tão rápido quanto digitar em um teclado convencional com nossos dez dedos. Inspirados por pesquisadores de Stanford que desenvolveram um modelo de aprendizado profundo para decifrar a caligrafia de uma pessoa utilizando sua atividade cerebral, a equipe tentou decodificar a trajetória da mão do macaco enquanto ele traçava os dígitos e caracteres na tela. Com a ajuda de um classificador de caligrafia, podemos deduzir qual caractere a trajetória representa.

Confiabilidade BCI

Dada a natureza dinâmica da atividade cerebral, podem ocorrer variações entre as sessões e até mesmo entre os dias. Portanto, o desempenho do decodificador pode variar muito entre as sessões, tornando o BCI não confiável. Para superar isso, os dados são coletados durante vários dias para treinar o decodificador a reconhecer o padrão correto na variabilidade. Outra abordagem que eles usam para lidar com isso é amostrar continuamente as estatísticas da atividade neural no implante e usar as estimativas mais recentes para pré-processar o conjunto de dados antes de alimentá-lo ao decodificador. A falta de confiabilidade do dispositivo é ainda mais exacerbada pela longa latência necessária para que um pico cerebral influencie a localização do ponteiro do mouse na tela. O uso de bloqueios de fase garante que o cursor possa ser movido com precisão e facilidade. Os bloqueios de fase marcam o início de cada pacote enviado do implante para coincidir com a ativação do rádio Bluetooth. Como resultado, o pico do cérebro é alimentado no pipeline de previsão com o menor atraso possível.

Atualizações futuras em dispositivos de próxima geração

A equipe da Neuralink agora está desenvolvendo versões aprimoradas do dispositivo N1 e do robô R1 para tornar o sistema BCI mais fácil de usar, eficaz e durável para os humanos. Uma melhoria potencial no futuro é tornar o dispositivo facilmente intercambiável no caso de qualquer atualização ser feita depois de implantado no cérebro. Após a remoção da dura-máter, o dispositivo N1 atual deve ser implantado diretamente na superfície do cérebro, tornando a substituição do dispositivo extremamente desafiadora devido à formação de uma cápsula de tecido difícil de desalojar ao redor do implante. A equipe da Neuralink está trabalhando para resolver esse problema desenvolvendo um dispositivo que não requer a remoção da dura-máter, mas é implantado sobre ela. Isso também torna a cirurgia mais segura e simples. No entanto, isso apresenta seu próprio conjunto de dificuldades porque a dura é uma rede densa de fibras de colágeno que dificulta a injeção de fios e a visualização da seção que está sendo injetada. As iterações do design da agulha estão sendo testadas para encontrar a melhor estrutura possível para injetar o fio além da dura-máter e no cérebro. O grupo está desenvolvendo um dispositivo de imagem óptica exclusivo que pode criar imagens de vasos sanguíneos sob a pele com um corante fluorescente que é usado atualmente na prática médica. Além disso, o grupo está trabalhando para melhorar o proxy do cérebro, criando material sintético que fisicamente, quimicamente e estruturalmente se assemelha a tecidos humanos. Eles experimentarão vários designs de agulhas e procedimentos cirúrgicos neste manequim cerebral antes de submeter um animal a testes experimentais.

Aplicações potenciais

Restauração da visão

O atual dispositivo Neuralink tem o potencial de restaurar a visão em pessoas que perderam a visão devido a lesões oculares ou outras doenças. Além de capturar a atividade cerebral, o dispositivo também pode simular neurônios injetando correntes no canal. Isso facilita a criação de imagens mentais sem o uso dos olhos. A grande quantidade de eletrodos do aparelho também auxilia na recuperação da visão, pois quanto maior a quantidade de eletrodos, maior a densidade da imagem que será criada. A parte visual do cérebro está localizada profundamente dentro do cérebro; assim, o robô pode injetar o fio diretamente nessa área, tornando o aparelho ideal para próteses visuais. Muitos resultados de pesquisas em neurociência visual descobriram que um único neurônio no córtex visual do cérebro reflete uma pequena parte do campo visual. Nossa percepção é feita de uma coleção de minúsculos campos receptivos pertencentes a cada célula do córtex visual. Cada célula é representada por um pixel virtual que o espectador pode perceber mesmo sem auxílio visual por meio de simulação direta. Para que isso seja útil como uma prótese visual, a simulação de célula única deve ser ampliada para muitas células, cada uma das quais representaria uma parte diferente do campo visual. Para fazer isso funcionar, uma câmera de alta resolução irá capturar a cena na frente do usuário e, em seguida, a imagem será traduzida em um padrão de estimulação elétrica para o cérebro visual. O objetivo da equipe para o gadget de próxima geração é incluir eletrodos de 16K; isso permitiria que a imagem fosse transformada em 32 mil pontos que poderiam ser acionados no córtex se o dispositivo fosse encaixado nos córtices esquerdo e direito.

Aplicação da Medula Espinhal

À medida que as intenções motoras viajam pela medula espinhal até o músculo, uma pessoa com lesão na medula espinhal perde a capacidade de transmitir essas intenções do cérebro para os músculos-alvo para o movimento real. O dispositivo N1 pode fornecer os estímulos apropriados para os neurônios na medula espinhal que podem ativar o músculo subseqüente, permitindo que a pessoa com lesão na medula espinhal se envolva facilmente com o ambiente e se mova. Para isso, a equipe investigou a atividade da medula espinhal, a atividade do córtex motor e os ângulos de junção para decodificar o padrão de simulações que podem causar a contração muscular. Eles também exploraram a possibilidade de simular os neurônios do córtex somatossensorial para fornecer feedback tátil. Os segmentos do córtex motor registram picos, que são decodificados em um padrão de simulação e, em seguida, transmitidos sem fio em tempo real para o dispositivo da medula espinhal para acionar o músculo apropriado e produzir movimento. Em um circuito fechado perfeito, a informação sensorial na medula espinhal é capturada como picos, decodificada em padrões de estimulação e comunicada ao dispositivo no cérebro, onde estimula o córtex somatossensorial para dar à pessoa a experiência do toque.

Transmita todo o evento aqui . O que você acha do progresso atual e das perspectivas futuras da Neuralink? Deixe-nos saber na seção de comentários.

Originalmente publicado em https://thebrainybits.com em 4 de dezembro de 2022.