O novo programa de pesquisa DARPA está desenvolvendo uma interface cérebro-computador com a qual será possível "controlar enxames de drones, trabalhando na velocidade do pensamento". E se der certo?
Em agosto, três estudantes de pós-graduação da Universidade Carnegie Mellon entraram em um pequeno laboratório no porão sem janelas para usar uma instalação improvisada montada em uma impressora 3D para chocar uma fatia do cérebro do mouse.
Esse pedaço de cérebro esculpido no
hipocampo era como uma fatia fina de alho. Ele descansou em uma plataforma localizada mais perto do centro do dispositivo. Um tubo fino lavou a fatia com uma solução de sal, glicose e aminoácidos. Assim, ele foi mantido em um estado semelhante à vida: os neurônios dentro dele continuaram sendo ativados, permitindo que os pesquisadores coletassem dados. Uma matriz de eletrodos localizados abaixo produzia descargas elétricas e uma sonda de metal, semelhante a uma seringa, media a resposta dos neurônios. Lâmpadas LED brilhantes iluminavam o copo. Tudo parecia colado no joelho dele.
No monitor ao lado do dispositivo, estímulos e uma resposta eram visíveis: alguns milissegundos após os impulsos elétricos, os neurônios eram ativados. Mais tarde, os pesquisadores colocaram um material semelhante em condutividade e transparência aos ossos do crânio entre um pedaço de tecido e eletrodos para descobrir se eles podem estimular o hipocampo do rato imitando o crânio.
Eles fizeram isso porque queriam reconhecer e controlar os sinais do cérebro humano sem ter que cortar o crânio e tocar o delicado tecido cerebral. Seu objetivo é desenvolver
interfaces cérebro-computador precisas e sensíveis que possam ser removidas e colocadas como um capacete ou faixa para a cabeça - sem qualquer cirurgia.
A espessura dos ossos do crânio humano é inferior a um centímetro. Os números exatos variam de pessoa para pessoa, bem como de um lugar para outro. Eles desfocam as formas de onda, seja corrente elétrica, luz ou som. Os neurônios cerebrais podem ser tão pequenos quanto alguns milésimos de milímetro e gerar impulsos elétricos com uma voltagem de vinte segundos de volt.
Nos experimentos dos estudantes de pós-graduação, era suposto coletar dados básicos que pudessem ser comparados com os resultados da aplicação da nova tecnologia, que Pulkit Grover, principal consultor científico da equipe, espera desenvolver.
"Até agora, é impossível fazer isso e é uma tarefa muito difícil", diz Grover. Ele lidera uma das seis equipes participantes do Programa de Neurotecnologia Não Cirúrgica de Próxima Geração, ou N3, um projeto de US $ 104 milhões lançado este ano pela DARPA. A equipe de Grover trabalha com eletricidade e ultrassom; outras equipes usam ímãs ou óptica. E se algum deles for bem-sucedido, os resultados serão revolucionários.
A cirurgia é cara e a intervenção cirúrgica para criar um super soldado também é eticamente difícil. Um dispositivo para ler pensamentos que não requer intervenção cirúrgica abrirá um grande número de possibilidades. As interfaces de neurocomputadores (NQIs) foram usadas para restabelecer o controle parcial das pessoas paralisadas sobre o corpo e permitir que veteranos de guerra no Iraque e Afeganistão que perderam membros controlassem os artificiais. N
3 é a primeira tentativa séria das forças armadas dos EUA de desenvolver NKI para uso mais agressivo. "Trabalhar com drones individuais e suas embalagens, na velocidade do pensamento, e não na velocidade dos dispositivos mecânicos - é por isso que esses dispositivos são realmente necessários", diz Al Emondi, diretor do programa N
3 .
Jacques J. Vidal, especialista em computação da Universidade da Califórnia em Los Angeles, usou pela primeira vez o termo interface cérebro-computador no início dos anos 1970; e acabou sendo uma dessas frases, como "inteligência artificial", cuja definição evolui paralelamente ao desenvolvimento dos recursos que descreve. A eletroencefalografia (EEG), registrando a atividade cerebral usando eletrodos colocados no crânio, pode ser considerada a primeira interface entre o cérebro e o computador. No final da década de 1990, pesquisadores da Universidade de Keyes, na região da Reserva Ocidental, usaram o EEG para interpretar as ondas cerebrais de uma pessoa paralisada, o que lhe permitiu mover o cursor em um computador usando eletrodos conectados ao crânio.
Desde então, foram desenvolvidas ativamente tecnologias para a leitura de sinais do cérebro de ambos os tipos, invasivos e não invasivos. Também estão sendo desenvolvidos dispositivos que estimulam o cérebro com sinais elétricos para tratar doenças como a epilepsia. O mecanismo mais poderoso até hoje é o conjunto de microeletrodos, conhecido como o conjunto de Utah. Parece uma cama minúscula com unhas do tamanho de meia unha no dedo mínimo, capaz de penetrar em uma determinada parte do cérebro.
Uma vez, em 2010, enquanto estava de férias em Outer Banks - uma faixa de ilhas estreitas de barreira de areia na costa da Carolina do Norte - Ian Burkhart mergulhou no oceano e bateu a cabeça em um banco de areia. Ele danificou a medula espinhal e perdeu funções do sexto nervo cervical e abaixo. Ele podia mover os ombros e os cotovelos, mas não com as mãos e os pés. A fisioterapia não ajudou muito. Ele perguntou aos médicos do Centro Médico Wexner da Universidade de Ohio se eles poderiam fazer outra coisa. Aconteceu que Wexner queria realizar um estudo em conjunto com a empresa de pesquisa sem fins lucrativos Battelle para descobrir se a mobilidade poderia ser restaurada nos membros do paralítico usando o maciço de Utah.
Se o EEG mostrar a atividade total de inúmeros neurônios, os arranjos de Utah podem registrar impulsos provenientes de um pequeno número deles, ou mesmo de um neurônio. Em 2014, os médicos implantaram a matriz de Utah na cabeça de Burkhart. A matriz mediu o campo elétrico em 96 pontos de seu córtex motor 30.000 vezes por segundo. Burkhart visitou o laboratório várias vezes por semana por mais de um ano, e os pesquisadores de Battelle treinaram algoritmos de processamento de sinais para perceber suas intenções, enquanto ele pensava sistematicamente e intensamente sobre como queria mover a mão.
Um cabo grosso conectado a uma plataforma no crânio de Burkhart enviou os pulsos medidos pela matriz de Utah para um computador. O computador os decifrou e transmitiu os sinais para uma manga cheia de eletrodos e cobrindo o antebraço direito. A manga ativou seus músculos para realizar o movimento desejado - agarrar, levantar uma carga, esvaziar uma garrafa ou remover um cartão da carteira.
Isso fez de Burkhart uma das primeiras pessoas a recuperar o controle muscular através de um "desvio neural". Agora Battelle, também participando do programa N
3 , está trabalhando com ele, tentando descobrir se é possível obter os mesmos resultados sem implantes no crânio.
A questão não está apenas na criação de novos dispositivos, mas também no desenvolvimento de técnicas de processamento de sinais de melhor qualidade, capazes de reconhecer sinais fracos e abafados percebidos na parte externa do crânio. Portanto, a equipe de Carnegie Mellon é liderada por Grover, um engenheiro elétrico, não um neurocientista.
Logo após Grover chegar ao Instituto Carnegie Mellon, seu amigo da Faculdade de Medicina da Universidade de Pittsburgh o convidou para participar de reuniões clínicas com pacientes com epilepsia. Ele começou a suspeitar que muito mais informações podem ser extraídas do EEG do que todos pensavam anteriormente - e, portanto, manipulações engenhosas de sinais externos podem afetar as camadas mais profundas do cérebro. Alguns anos depois, uma equipe liderada por Edward Boyden, do Centro de Engenharia Neurobiológica do MIT, publicou um artigo notável que vai muito além da suposição inicial de Grover.
O grupo de Boyden aplicou dois sinais elétricos de frequências altas, mas ligeiramente diferentes, na parte externa do crânio. Eles influenciaram o trabalho dos neurônios, mas não aqueles localizados na superfície do cérebro, mas aqueles localizados mais profundamente. Como parte de um fenômeno chamado interferência construtiva, eles receberam um sinal de menor frequência, estimulando a ativação dos neurônios.
Grover e sua equipe estão agora trabalhando na expansão dos resultados de Boyden, usando centenas de eletrodos localizados na superfície do crânio para direcionar com precisão pequenas áreas das regiões internas do cérebro e controlar o sinal, alternando-o de uma parte do cérebro para outra sem mover os eletrodos. Grover diz que essa idéia dificilmente teria ocorrido aos neurocientistas.
Enquanto isso, no Laboratório de Física Aplicada (APL) da Universidade Johns Hopkins, outra equipe do Projeto N
3 usa uma abordagem completamente diferente: perto da luz infravermelha.
De acordo com conceitos modernos, o tecido nervoso incha e se contrai quando os neurônios emitem sinais elétricos. Os cientistas também registram esses sinais usando EEG, a matriz de Utah ou outras tecnologias. Dave Blodget, da APL, afirma que o inchaço e a contração do tecido podem não ser o sinal de pior qualidade e deseja criar um sistema óptico que mede essas alterações.
As tecnologias passadas não conseguiam capturar movimentos físicos tão minúsculos. Mas Blodget e a equipe já mostraram que são capazes de registrar a atividade nervosa do mouse quando ele move uma das antenas. Dez milissegundos após o movimento das antenas, Blodget registrou a ativação dos neurônios correspondentes usando sua tecnologia óptica. E no tecido nervoso exposto, sua equipe registrou a atividade dos neurônios em 10 microssegundos - na mesma velocidade que a matriz de Utah ou outros métodos elétricos.
A próxima tarefa a ser resolvida será a gravação através dos ossos do crânio. Parece algo impossível: afinal, o crânio é opaco à luz visível. No entanto, a luz próxima ao infravermelho pode passar pelos ossos. A equipe de Blodgett examina o crânio com lasers infravermelhos de baixa energia e mede a dispersão da luz desses lasers. Ele espera que disso seja possível extrair informações sobre a atividade dos neurônios. Essa abordagem possui menos evidências do que o uso de sinais elétricos, no entanto, é para esses riscos que os programas DARPA são projetados.
Em Battelle, Gaurav Sharma está desenvolvendo um novo tipo de nanopartícula capaz de penetrar na
barreira hematoencefálica . Essa tecnologia é chamada minimamente invasiva no DARPA. Nas nanopartículas, um núcleo sensível aos campos magnéticos é cercado por uma concha de um material que gera eletricidade sob pressão. Se essas nanopartículas forem colocadas em um campo magnético, o núcleo da partícula pressionará a concha, o que produzirá uma pequena corrente. Um campo magnético é muito mais adequado para brilhar através do crânio do que para a luz, diz Sharma. Diferentes bobinas magnéticas permitem que os cientistas tenham como alvo certas partes do cérebro, e esse processo pode ser revertido - converta correntes elétricas em campos magnéticos lendo o sinal.
Ainda não se sabe qual dessas abordagens terá êxito e se. Outras equipes do N
3 usam várias combinações de ondas de luz, elétricas, magnéticas e ultrassônicas para transmitir sinais ao cérebro e lê-los de fora. Tudo isso, sem dúvida, é muito interessante. No entanto, para todos esses entusiasmos, não se deve esquecer o quão ruim é a situação no Pentágono e em empresas como o Facebook (que também desenvolve o NCI), com um grande número de questões éticas, legais e sociais que o NCI não invasivo levanta. Como bandos de drones controlados pelo cérebro humano mudam a natureza das guerras? Emondi, capítulo
3 , diz que os NKIs serão usados conforme necessário. No entanto, a necessidade militar é um conceito frouxo.
Em agosto, visitei o laboratório em Battelle, onde Burkhart trabalhou por várias horas com uma nova luva equipada com 150 eletrodos que estimulam os músculos do braço. Ele e os pesquisadores esperavam que a manga funcionasse sem depender do conjunto de sinais cerebrais de Utah.
Ian Burkhart e Pesquisador
Matriz de UtahCom danos à medula espinhal, é muito difícil pensar no movimento do braço. Burkhart estava cansado. "Tudo funciona em etapas - quanto mais ativo eu penso, mais forte o movimento", ele me disse. - Antes, não precisava pensar em "abrir a mão" - peguei e levantei a garrafa. Mas estou muito motivado pelo resultado - mais do que todos os outros presentes. ” Graças a ele, é fácil ver o potencial dessa tecnologia.
Ele disse que desde o início do trabalho com o maciço de Utah, ele se tornou mais poderoso e ágil, mesmo nos períodos em que não o está usando. Ele já pode viver quase sozinho, e precisa de ajuda apenas algumas horas por dia. “Eu posso falar mais com minhas mãos. "Eu posso segurar o telefone", diz ele. "Se este projeto derramar em algo que possa ser usado diariamente, eu o usarei o máximo que puder".