Eric Lutehardt acredita que, em um futuro próximo, permitiremos que os médicos insiram eletrodos em nossos cérebros, para que possamos nos comunicar diretamente com computadores e entre si.
Na segunda-feira de manhã, após o fim de semana de estreia de Blade Runner 2049, Eric Leuthardt está parado no centro de uma sala de operações inundada de luz, vestida com uma túnica e máscara, curvada sobre um paciente inconsciente.
"Eu pensei que ele era um homem, mas não tinha certeza", diz Lutehardt ao cirurgião que está ao lado dele, enquanto traça uma linha na pele raspada da cabeça do paciente, onde ele fará as primeiras incisões como parte de uma operação neurocirúrgica. "Você achou que ele era um replicante?"
"Eu definitivamente pensei que ele era um replicante", diz o estagiário, referindo-se ao termo do filme, significando andróides realistas.
"Parece-me muito interessante que carros voadores estejam aparecendo constantemente no futuro", diz Lutehardt, passando o marcador para o residente e pegando o bisturi. “Eles mostraram anti-utopia: conversavam o tempo todo sobre biologia, sobre replicantes. Mas grandes pedaços do futuro estão faltando. Onde, por exemplo, estão as neuro-próteses? ”
Lutehardt, um cientista de 44 anos e neurocirurgião, pensou muito sobre esse assunto. Além de seu trabalho como neurocirurgião na Universidade de Washington em St. Louis, ele também publicou dois romances e escreveu uma peça premiada, projetada para "preparar a sociedade para as próximas mudanças". No primeiro romance, o techno-thriller “Red Devil 4” [RedDevil 4], 90% da população escolheu a implantação de equipamentos de informática diretamente no cérebro. Isso tornou possível fornecer uma conexão entre pessoas e computadores, e uma enorme quantidade de sensações sensoriais se tornou disponível sem sair de casa. Lutehardt acredita que, nas próximas décadas, esses implantes se tornarão algo como cirurgia plástica ou tatuagens, e serão instalados sem hesitação.
Eric Lutehardt"Meu trabalho é abrir pessoas", diz ele. "Portanto, é muito fácil imaginar."
Mas Lutehardt fez muito mais do que apenas imaginar o futuro. Ele é especialista em operações em pacientes com epilepsia intratável, e todos precisam passar vários dias antes da operação principal com eletrodos implantados em seu córtex, enquanto os computadores coletam informações sobre as seqüências de neurônios que são ativadas antes das convulsões. Nesse momento, eles estão amarrados a uma cama de hospital e geralmente ficam muito entediados. Cerca de 15 anos atrás, Lutehardt teve uma epifania: por que não atraí-los para serem sujeitos de um experimento? Isso dissipará o tédio deles e ajudará a aproximar seus sonhos da realidade.
Lutehardt começou a desenvolver tarefas para eles. Ele então analisou os sinais cerebrais para entender o que poderia aprender sobre decodificação cerebral de pensamentos e intenções e como esses sinais poderiam ser usados para controlar dispositivos externos. Existem dados suficientes aos quais ele tem acesso para descrever o movimento planejado? É possível ouvir o monólogo interior do homem? É possível decifrar a mente?
Embora as respostas para algumas dessas perguntas estivessem longe de serem inequívocas, elas foram inspiradoras. Inspirador o suficiente para tornar Lutehardt um verdadeiro crente - aqueles cujas idéias poderiam parecer loucas se ele não fosse um neurocirurgião trabalhando em um cenário de vida ou morte na sala de operações, quando não há espaço para ilusão ou arrogância. Lutehardt sabe melhor que outros que a neurocirurgia é um negócio perigoso, assustador e difícil para o paciente. Mas sua compreensão do cérebro lhe deu uma idéia clara de suas limitações inerentes - e o potencial da tecnologia para ajudar a superá-las. Ele insiste que, quando o resto do mundo entender todas as possibilidades e a tecnologia fizer o progresso necessário, a raça humana fará o que sempre fez. Evolui. Desta vez - com a ajuda de chips implantados na cabeça.
O paciente está preparado para cirurgia a laser minimamente invasiva para tratar um tumor cerebral. Operações de precisão semelhantes tornaram a implantação de eletrodos mais segura e menos intimidadora."A verdadeira neurointegração está prestes a acontecer", diz Luthardt. Isso é uma questão de tempo. Levará 10 ou 100 anos, a longo prazo, isso será um desenvolvimento significativo da humanidade. ”
Lutehardt não é a única pessoa que tem ambições exóticas para criar interfaces cérebro-computador. Em março passado, Elon Musk, fundador da Tesla e da SpaceX, lançou o projeto Neuralink, projetado para criar dispositivos que facilitam a integração do cérebro e das máquinas. Mark Zuckerberg, do Facebook, expressou os mesmos sonhos e, nesta primavera, sua empresa revelou o fato de que 60 de seus engenheiros estão trabalhando na criação de interfaces que permitem digitar com o poder do pensamento. Brian Johnson, o fundador do sistema de pagamento Braintree, usa seus fundos para apoiar a Kernel, uma empresa que desenvolve neuro-próteses que ele acredita que um dia melhorará a inteligência, a memória e muito mais.
Mas todos esses planos estão nos estágios iniciais e não foram amplamente divulgados, e, portanto, é difícil determinar qual progresso já foi alcançado ou quão realistas são os objetivos estabelecidos. Problemas com as interfaces vagão cérebro-computador. Os dispositivos mencionados por Musk e Zuckerberg exigirão não apenas equipamentos de qualidade muito melhor que possam suportar conexão mecânica contínua e transferência de dados entre computadores de silício e a desordenada massa cinzenta do cérebro humano. Eles terão que ter poder de computação suficiente para analisar a matriz de dados produzidos a qualquer momento por qualquer número de centenas de bilhões de neurônios cerebrais. Além disso, ainda não sabemos o código usado pelo cérebro. Em outras palavras, teremos que aprender a ler a mente das pessoas.
Mas Lutehardt acredita que ele verá isso durante sua vida. "Sabendo a velocidade com que a tecnologia está mudando, é perfeitamente concebível que, durante 20 anos, tudo o que estiver contido em um telefone celular moderno caiba em um grão de arroz", diz ele. "E isso já pode ser colocado em sua mente de uma maneira minimamente invasiva, e pode fazer os cálculos necessários para ser uma interface cérebro-computador verdadeiramente eficaz".
Decifrando o cérebro
Os cientistas sabem há muito tempo que a ativação dos neurônios nos permite mover, sentir e pensar. Mas decifrar o código no qual os neurônios se comunicam e o resto do corpo - ouça essa comunicação, entenda exatamente como as células cerebrais nos permitem funcionar - tem sido uma das tarefas mais difíceis da neurobiologia.
No início dos anos 80, o engenheiro Apostolos Georgopoulos [Apostolos Georgopoulos] do Instituto. Hopkins abriu o caminho para a revolução atual das interfaces cérebro-computador. Georgopoulos identificou neurônios em áreas de alto nível de processamento do córtex motor, que são ativados antes de cada movimento - seja uma onda do pincel para a direita ou pressão de cima para baixo. Essa descoberta se tornou importante porque esses sinais podiam ser registrados e usados para prever a direção e a força dos movimentos. Alguns desses circuitos de ativação de neurônios controlavam o comportamento de muitos neurônios de baixo nível trabalhando juntos para mover músculos individuais e, finalmente, os membros.
Usando matrizes de dezenas de eletrodos que rastreiam sinais de alto nível, Georgopoulos mostrou que pode prever não apenas em qual direção o macaco moverá o joystick no espaço tridimensional, mas também a velocidade do movimento e sua mudança no tempo.
Foram esses dados que pareciam ser usados para dar ao paciente paralisado a capacidade de controlar a prótese com o poder do pensamento. Foi essa tarefa que um dos protegidos de Georgopoulos, Andrew Schwartz, assumiu na década de 1990. No final dos anos 90, Schwartz, agora neurocientista da Universidade de Pittsburgh, implantou eletrodos no cérebro dos macacos e começou a demonstrar que eles realmente podiam ser treinados para controlar os membros robóticos pelo poder do pensamento.
Lewthardt, que estava se preparando para trabalhar na Universidade de Washington em 1999, foi inspirado por este trabalho: quando ele precisava decidir como gastar uma pausa anual para pesquisa, ele entendia o que queria fazer. Os primeiros sucessos de Schwartz convenceram Lewthardt de que a ficção científica estava prestes a se tornar realidade. Os cientistas finalmente deram os primeiros passos sedutores para unir o homem à máquina. Lutehardt queria fazer parte da próxima revolução.
Ele pensou em dedicar seu ano ao estudo do problema de cicatrizes em ratos: com o tempo, os eletrodos implantados por Schwartz e outros causaram uma reação inflamatória ou foram cobertos por células cerebrais e pararam de funcionar. Mas quando Lutehardt e seu curador começaram a desenvolver um plano, eles tiveram uma idéia melhor. Por que não explorar o uso de alguma outra tecnologia para registrar a atividade cerebral?
"De repente, ocorreu-nos:" Ei, sempre temos pessoas com eletrodos! ", Diz Luthardt. "Por que não experimentamos com eles?"
Um cirurgião se prepara para fazer um buraco no crânio de um paciente para colocar uma sonda a laser
Uma estrutura estereotáxica montada no crânio guia a sonda a laser, que aponta para o ponto desejado no cérebro.Georgopoulos e Schwartz coletaram dados com base em uma técnica usando microeletrodos localizados próximos às membranas de neurônios individuais e rastreando alterações de tensão. Os eletrodos utilizados por Lutehardt, implantados em pacientes com epilepsia antes da cirurgia, eram muito maiores e estavam localizados na superfície do córtex, sob o couro cabeludo, em pedaços de plástico, registrando sinais emitidos por centenas de milhares de neurônios simultaneamente. Para instalá-los, Lutehardt realizou uma operação primária na qual a parte superior do crânio foi removida, uma incisão foi feita na
dura-máter (a membrana mais externa do cérebro) e os eletrodos foram localizados diretamente na parte superior do cérebro. Em seguida, ele os conectou com um feixe de fios vindos da cabeça do paciente e os conectou a dispositivos que analisam sinais cerebrais.
Esses eletrodos são utilizados com sucesso há décadas para determinar a fonte exata de crises epilépticas no cérebro do paciente. Após a primeira operação, o paciente para de tomar medicamentos para convulsões, o que acaba causando um ataque - e os dados de sua fonte física ajudam os médicos, Lutehardt e outros, a decidir qual parte do cérebro deve ser ressecada para evitar ataques no futuro.
Mas muitas pessoas estavam céticas quanto ao fato de que os eletrodos seriam capazes de fornecer informações suficientes para controlar a prótese. Para descobrir, Lewhardt trouxe Gerwin Schalk, um cientista da computação do Wadsworth Center, um laboratório de saúde do Departamento de Saúde de Nova York. O progresso foi rápido. Após vários anos de testes, os pacientes de Lutehardt demonstraram sua capacidade de jogar Space Invaders movendo a nave virtual para a esquerda e para a direita com o poder do pensamento. Eles aprenderam a mover o cursor no espaço tridimensional da tela.
Em 2006, depois de relatar seu trabalho na conferência, Elmar Schmeisser, gerente do Departamento de Pesquisa do Exército dos EUA, entrou em contato com Schalk. Schmeiser concebeu algo mais complexo. Ele queria saber se era possível decodificar "discurso mental" - palavras que uma pessoa não expressa, mas fala em sua cabeça. Schmeiser adorava ficção científica e há muito sonhava em criar um "capacete mental" capaz de reconhecer o discurso mental do soldado e transmiti-lo ao fone de ouvido de seu amigo.
Sonda a laserLutehardt combinou com 12 pacientes acamados com epilepsia que estavam deitados nos quartos e estavam entediados, esperando por convulsões, e deu a cada um deles 36 palavras com uma estrutura simples consoante-vogal-consoante, como “aposta”, “bastão , ”“ Beat ”e“ boot ”. Ele pediu aos pacientes que primeiro dissessem as palavras em voz alta, e então imaginem como as diriam, seguindo as instruções visuais na tela do computador sem áudio e, em seguida, diga a palavra em voz alta novamente, já sem um prompt de vídeo para que ele pode detectar sinais sensoriais recebidos. Ele enviou Schalke para análise.
O programa Shalk trabalha com algoritmos de reconhecimento de seqüência - seu sistema pode ser treinado para reconhecer esquemas de ativação de grupos de nêutrons associados a uma tarefa ou pensamento específico. Se houver 50-200 eletrodos, cada um dos quais produz 1000 valores por segundo, o programa precisa processar um grande número de variáveis. Quanto mais eletrodos e menos neurônios por eletrodo, maiores as chances de decodificar seqüências significativas - se você usar um poder de computação suficientemente grande que possa lidar com a rejeição de ruídos desnecessários.
"Quanto maior a resolução, melhor, mas devemos ter um mínimo de cerca de 50.000 números por segundo", diz Schalk. - Você precisa extrair deles uma coisa que lhe interessa. Esta é uma tarefa não trivial. ”
Os resultados de Schalk foram surpreendentemente confiáveis. Como era de se esperar, quando os pacientes expressaram a palavra, os dados falavam de atividade em áreas do córtex motor associadas aos músculos que reproduzem a fala. O córtex sonoro e sua área vizinha, há muito suspeita de estar associada ao processamento da fala, também estavam ativos naquele momento. Curiosamente, quando os sujeitos apresentaram as palavras sem expressá-las, os padrões de ativação dos neurônios se mostraram muito semelhantes, embora fossem ligeiramente diferentes.
Schalk, Lutehardt e outras pessoas envolvidas no projeto acreditam que encontraram essa voz calma que ouvimos em nossas cabeças quando imaginamos o discurso. O sistema nunca foi perfeito: por vários anos de trabalho e aprimoramento de algoritmos, o programa Shalk é capaz de adivinhar as palavras corretamente em 45% dos casos. Mas, em vez de tentar melhorar esse resultado (a qualidade deve aumentar com sensores aprimorados), Schalk e Lutehardt se concentraram em decifrar os componentes cada vez mais complexos da fala.
Nos últimos anos, Schalk continua a melhorar o processamento da fala real e mental (ele pode distinguir entre o que o sujeito diz mentalmente - o discurso de Martin Luther King "
Eu tenho um sonho "
, ou o
discurso de Abraham Lincoln em
Gettysburg . Naquela época, Lewthardt estava tentando entrar em outra área: determinar como o cérebro codifica conceitos inteligentes através de várias seções.
Os dados desses estudos ainda não foram publicados, mas "para ser sincero, ainda estamos tentando descobrir", diz Lutehardt. Ele admite que seu laboratório pode ter chegado ao limite do que é possível no atual nível de desenvolvimento de tecnologia.
Implantando o futuro
"Assim que obtivemos evidências de que podemos decodificar intenções", diz Luthardt, "eu sabia que as coisas estavam indo".
Logo após receber os resultados, Lutehardt tirou alguns dias de folga para escrever artigos, visualizar o futuro e pensar em objetivos de curto e longo prazo. Nas primeiras linhas da lista de tarefas, ele decidiu colocar a preparação da humanidade para o futuro próximo - e este trabalho ainda está muito longe de ser concluído.
Lutehardt perfura um buraco no crânio
Nesta tela, os movimentos do laser são rastreados em tempo real.Recostando-se em uma cadeira em seu escritório após a operação, Lutehardt afirma que, com o financiamento adequado, ele já poderia criar uma prótese de implante para venda gratuita, o que permitiria que uma pessoa usasse um computador e controlasse o cursor no espaço tridimensional. Os usuários também podem fazer coisas como ligar e desligar as luzes ou ajustar a temperatura com um pensamento. Eles podem até ser capazes de experimentar sensações táteis induzidas artificialmente e obter acesso a formas primitivas de transformar a fala mental em som. "Com a tecnologia atual, eu poderia fazer um implante - mas quantas pessoas precisam?" Ele diz. "Eu acho muito importante dar pequenos passos práticos para que as pessoas sigam esse caminho para uma meta de longo prazo".
Para fazer isso, Lutehardt fundou a NeuroLutions, que deve demonstrar que hoje existe um mercado para dispositivos rudimentares que conectam o cérebro à máquina e estão no início do desenvolvimento de tecnologias para ajudar as pessoas. O NeuroLutions já recebeu vários milhões em investimentos e já está enfrentando vítimas de derrame que perderam o controle de um lado do corpo, uma interface cérebro-máquina não invasiva.
Este dispositivo consiste em eletrodos que monitoram o funcionamento do cérebro, localizados no couro cabeludo e conectados ao aparelho ortopédico. É capaz de determinar a atividade neural característica associada à intenção de fazer um movimento, antes que o sinal atinja a área motora do cérebro. Os sinais neurais vêm do lado do cérebro oposto ao destruído por um derrame - portanto, eles geralmente não sofrem. Ao descobri-los, amplificá-los e usá-los para controlar um dispositivo que move um membro paralisado, Lutehardt pode ajudar um paciente a recuperar o controle perdido de um membro de maneira mais rápida e eficiente do que com as abordagens atuais disponíveis no mercado. E, o mais importante, este dispositivo pode ser usado sem interferir no cérebro.
E embora essa tecnologia seja bastante modesta em comparação com os planos napoleônicos para o futuro de Lutehardt, ele acredita que essa área já é capaz de mudar a vida das pessoas hoje. A cada ano, 700.000 novos pacientes com AVC aparecem nos Estados Unidos e a paralisia das mãos é a lesão mais comum. Se você puder encontrar uma maneira de ajudá-los a restaurar o corpo - e demonstrar que esse método é mais eficiente e mais rápido -, isso demonstrará não apenas o poder das interfaces cérebro-máquina, mas também satisfará a enorme demanda existente na medicina.
Lyuthardt planejada trajetória da sonda laser com sistema de estereotáxica
Instrumentos Cirúrgicos LyuthardtaO uso de eletrodos não invasivos localizados no couro cabeludo não confunde tanto os pacientes, mas impõe sérias limitações. Os sinais elétricos das células nervosas do cérebro são grandemente afogados pelo couro cabeludo e também dispersos ao passar pelo osso. Por isso, são mais difíceis de reconhecer e determinar sua fonte.Lutehardt pode fazer muito mais com eletrodos implantados localizados diretamente no córtex cerebral. Mas, com uma experiência muito dolorosa, ele aprendeu que é mais difícil justificar a cirurgia - não apenas para os pacientes, mas também para os investidores.Quando fundaram a NeuroLutions com a Schalk em 2008, eles esperavam devolver às pessoas paralisadas a oportunidade de mudar, trazendo a interface para o mercado. Mas não foi interessante para os investidores. As startups fundadas por neurocientistas vêm tentando criar uma interface cérebro-computador há décadas, mas pouco fizeram para transformar a tecnologia em uma opção de trabalho para ajudar pacientes paralisados. O número de pacientes em potencial é limitado - comparado a outros problemas que as startups médicas que desenvolvem vários dispositivos e competem por investimentos estão tentando resolver. (Nos Estados Unidos, 40.000 pessoas sofrem de paralisia de todos os membros). E a maioria das tarefas executadas por essa interface já pode ser resolvida usando dispositivos não invasivos. Até os pacientes mais graves conseguem piscar os olhos ou puxar o dedo.Métodos baseados nesses movimentos residuais podem ser usados para inserir dados ou mover uma cadeira de rodas sem risco adicional, tempo de recuperação ou os fundos necessários para implantar eletrodos diretamente no córtex cerebral.Então, depois que eles não conseguiram investir no primeiro projeto, Lutehardt e Schalk voltaram sua atenção para um objetivo mais modesto. Eles descobriram que muitos pacientes continuam restaurando funções adicionais mesmo após a remoção do aparelho ortopédico - isso pode ser, por exemplo, a restauração das habilidades motoras finas dos dedos. Muitas vezes, eles precisam de um incentivo muito pequeno. Depois que os novos caminhos de condução neural são fortalecidos, o cérebro continua a remodelá-los e expandi-los para que eles transmitam comandos motores mais complexos ao braço.O primeiro sucesso que Lewhardt espera de tais pacientes é inspirar as pessoas a mudarem para um sistema invasivo mais robusto. "Em alguns anos, será possível dizer:" Você sabe, a versão não invasiva oferece essas oportunidades, mas agora, graças à ciência e outros conhecimentos, podemos oferecer muito mais oportunidades ", diz ele. "Podemos melhorar ainda mais o seu funcionamento."Lewthardt quer que o mundo compartilhe sua paixão pelos possíveis efeitos transformadores dessa tecnologia que ele tentou inspirar as pessoas através da arte. Além de escrever romances e uma peça, ele também está trabalhando em um podcast e vídeos no YouTube com seu colega, no qual eles discutem tecnologia e filosofia para o café com rosquinhas.No primeiro livro de Lutehardt, Red Devil 4, um personagem usa uma “prótese cortical” para sentir a emoção de caminhar no Himalaia enquanto permanece no sofá. Outro, um detetive da polícia, discute telepaticamente com um colega o interrogatório de um suspeito de assassinato enquanto está ao lado dele. Cada personagem tem acesso instantâneo a todo o conhecimento das bibliotecas do mundo - eles podem receber informações tão rapidamente quanto uma pessoa gera qualquer pensamento espontâneo. Ninguém é forçado a ficar sozinho, e nossos corpos não nos limitam mais. Por outro lado, o cérebro de todas as pessoas é suscetível ao ataque de vírus de computador que podem transformar as pessoas em psicopatas.Lutehardt admite que, no momento, ainda não temos como registrar e estimular o número de neurônios necessários para recriar essas coisas. Mas ele argumenta que suas conversas com investidores do Vale do Silício apenas alimentam sua crença otimista de que estamos à beira de uma explosão de inovação.Shulk não é tão otimista. Ele é cético quanto ao fato de o Facebook, Musk e outros estarem dando uma contribuição valiosa para encontrar o melhor tipo de interface."Eles não farão nada diferente do que a própria comunidade científica pode fazer", diz Schalk. "Talvez parte disso seja divulgado, mas não que eles tenham algo novo que ninguém mais teria."Schalk diz que é "bastante óbvio" que nos próximos 5 a 10 anos, algumas formas da interface cérebro-computador serão usadas para reabilitar vítimas de derrame, danos na medula espinhal, dor crônica e outras doenças. Mas ele compara as técnicas de gravação atuais com os computadores IBM da década de 1960, chamando-os de "arcaicos". Para que a tecnologia alcance um potencial real de longo prazo, ele acredita, é necessário um novo tipo de varredura cerebral - algo que possa ler um número muito maior de neurônios por vez."De fato, você precisa aprender a ouvir o cérebro e conversar com ele para que ele não consiga distinguir isso de suas comunicações internas, e isso não sabemos agora", diz Schalk. - No momento, não sabemos como fazer isso. Mas também é óbvio para mim que isso vai acontecer. E quando isso acontecer, nossas vidas mudarão e é completamente sem precedentes. "Quando e onde esse avanço ocorrerá ainda não está claro. Após décadas de pesquisa e progresso, ainda temos os mesmos desafios tecnológicos. E, no entanto, avanços na neurobiologia, hardware e programas de computador tornam o resultado inevitável.
A interface cérebro-computador não invasiva através do ECG usa conjuntos de eletrodos para ajudar as vítimas de derrame a restaurar a função dos membros.Pelo menos, diz Lutehardt, o hype no Vale do Silício "despertou grande interesse e levou a pensar realmente nas interfaces cérebro-computador, como uma realidade prática". E isso, ele diz, é "algo que nunca vimos antes". E, embora ele admita que, se isso for exagero do zero, "pode atrasar o desenvolvimento nessa área por dez a vinte anos", nada nos impedirá de alcançar nosso objetivo final: tecnologia que nos permita superar as limitações cognitivas e físicas que gerações anteriores de pessoas eram um dado adquirido."Isso vai acontecer", ele insiste. "Essa idéia tem o potencial de mudar a direção da evolução da raça humana".Adam Payor é o autor de The Body Builders: Inside the Science of the Engineered Human] sobre biotecnologia.