Interface cérebro-máquina: saiba como funciona o dispositivo neurotecnológico

As interfaces cérebro-máquina (ICM) são um canal de comunicação direto entre o cérebro e um dispositivo externo. Elas são projetadas para auxiliar, aumentar ou reparar funções cognitivas ou motoras humanas, integrando o sistema nervoso com máquinas para restaurar a autonomia de pacientes.

O funcionamento de uma ICM baseia-se na captação de sinais cerebrais por meio de eletrodos (invasivos ou não-invasivos) processados por um computador. Esses sinais são traduzidos em comandos digitais para operar dispositivos como cadeiras de rodas, próteses ou softwares especiais, refletindo a intenção do usuário.

Várias empresas atuam no desenvolvimento dessas tecnologias, com destaque para a Neuralink de Elon Musk que trabalha com implantes cerebrais para fins diversos. Synchron, Emotiv e Blackrock Neurotech também atuam no aprimoramento de interfaces neurais para aplicações médicas e outros campos.

A seguir, entenda o conceito de interfaces cérebro-máquina, para que servem e como funcionam. Também saiba as vantagens e as limitações dessa neurotecnologia com diferentes aplicações.

O que é interface cérebro-máquina?

Uma interface cérebro-máquina (ICM), ou brain machine interface (BCI), é um sistema de comunicação que capta e decodifica a atividade neural, transformando-a em comandos que controlam dispositivos externos. Ela estabelece uma conexão direta entre o cérebro e o hardware ou software, permitindo o controle sem a necessidade de movimento físico.

Em suma, a interface cérebro-computador (ou brain computer interface) traduz a intenção funcional do indivíduo, o desejo de interagir com o ambiente, diretamente dos sinais cerebrais. Isso permite que o usuário controle um aplicativo ou um dispositivo usando apenas a mente, o que tem potencial em reabilitação e assistência tecnológica.

Para que serve a interface cérebro-computador?

A interface cérebro-computador é usada primariamente para restaurar a comunicação e as funções motoras em pessoas com lesões ou doenças neurológicas graves. Elas capacitam os indivíduos a controlar dispositivos externos usando somente a atividade cerebral, abrindo caminhos para superar limitações físicas.

A função central da ICM é traduzir a atividade neural captada em comandos de controle para software e hardware externos, permitindo a execução de tarefas. Isso engloba a digitação em uma tela, o movimento de membros robóticos (neuropróteses) e a operação de cadeiras de rodas.

Basicamente, as interfaces possibilitam o controle de tecnologia pela mente para recuperar movimentos e a fala perdidos. Eles também representam uma ferramenta no diagnóstico e tratamento de condições neurológicas e oferecem feedback sensorial de volta ao cérebro.

Como funciona a interface cérebro-máquina

Uma interface cérebro-máquina opera captando os sinais elétricos gerados pelas redes neurais do cérebro, que representam a comunicação entre neurônios nas sinapses. Isso é feito por meio de sensores (eletrodos) posicionados para detectar essa atividade, seja no couro cabeludo ou implantados no tecido cerebral.

O componente físico (hardware) de detecção mede a frequência e a intensidade desses sinais, agindo como um “microfone” para a atividade elétrica do cérebro. Em seguida, os dados brutos são submetidos a um processamento de pré-condicionamento, como filtragem, antes de serem enviados para um software de computador local.

O software emprega algoritmos de decodificação neural auxiliados por tecnologia de aprendizagem de máquina e inteligência artificial. Então, eles traduzem os complexos padrões de dados cerebrais em uma intenção programável clara do usuário, como o desejo de mover um membro ou selecionar uma letra.

Finalmente, essa intenção decodificada é transformada em um comando de controle que opera um hardware, como um exoesqueleto, um cursor de computador ou uma cadeira de rodas. O sistema usa um ciclo de feedback contínuo para refinar o controle, permitindo que o usuário e a ICM ajustem e melhorem a colaboração ao longo do tempo.

Quais são os tipos de interface cérebro-máquina?

As interfaces cérebro-máquina são categorizadas pela invasividade, afetando diretamente a qualidade do sinal e a aplicação clínica ou não-clínica. A escolha depende do equilíbrio entre a precisão da leitura neural e o risco associado ao procedimento de implantação.

As ICMs invasivas requerem neurocirurgia para implantação de eletrodos dentro ou na superfície do córtex cerebral para registros de eletrocorticografia (ECoG). O contato direto com o tecido neural capta sinais de alta fidelidade, sendo essenciais para a restauração funcional em pacientes com paralisia grave ou síndrome do encarceramento.

As ICMs não-invasivas usam dispositivos externos, como capacetes com sensores, atuando como um canal bidirecional de comunicação sem a necessidade de cirurgia. Embora os sinais sejam mais fracos e menos precisos, são adequados para aplicações menos críticas, como neurofeedback, jogos ou controle básico de dispositivos.

Quais empresas desenvolvem interfaces cérebro-máquina?

Estas são algumas das empresas que estão trabalhando no desenvolvimento de interfaces cérebro-máquina:

• Neuralink: desenvolve ICMs invasivas para criar uma “simbiose” entre o cérebro humano e a inteligência artificiais. O objetivo é restaurar funções sensoriais e motoras em pacientes com condições neurológicas graves;
• Synchron: pioneira na abordagem endovascular, implantando o dispositivo Stentrode através da veia jugular para residir em um vaso sanguíneo sobre o córtex motor e restaurar a comunicação e a função motora; 
• Blackrock Neurotech: fornecedora de sistemas invasivos, usando o microeletrodos Utah Array, foca no desenvolvimento de um sistema implantável domiciliar para restaurar a comunicação e a função motora em pessoas com tetraplegia;
• Precision Neuroscience: criou a interface cortical Layer 7, uma película ultrafina e flexível de microeletrodos. Esta interface neural é projetada para se adaptar à superfície do cérebro com mínima interrupção do tecido neural;
• Kernel: foca em interfaces não-invasivas usando métodos como espectroscopia funcional de infravermelho (fNIRS). Seus sistemas buscam medir e decodificar a atividade cerebral para aplicações de bem-estar e cognição;
• Neurable: especializada em soluções não-invasivas para uso diário, frequentemente incorporadas em headsets de realidade virtual/aumentada. A tecnologia cria ferramentas de medição cognitiva que avaliam o estado emocional e o esforço de atenção;
• Emotiv: desenvolve headsets sem fio para monitoramento por registros eletroencefalográficos (EEG) usados para pesquisa e uso pessoal. Suas aplicações se estendem desde o controle de jogos e TV interativa até medicina e automação robótica;
• Padromics: está progredindo em ICM invasiva com o implante cortical Connexus. O dispositivo transmite milhares de canais neurais simultaneamente, com registros in-human já completados.

Existem casos de aplicação da interface cérebro-computador?

Sim, existem diversas aplicações ICMs criadas para ajudar pessoas com deficiências por meio de comunicação, controle motor e na reabilitação. Essas tecnologias também visam melhorar o desempenho humano em produtos de consumo e em ambientes profissionais.

• N1 Implant (Neuralink): implante totalmente interno e de alta largura de banda, desenvolvido para permitir que pessoas com paralisia controlem computadores e smartphones usando apenas o pensamento;
• Stentrode (Synchron): dispositivo minimamente invasivo implantado através da veia jugular, evitando a necessidade de cirurgia cerebral aberta para permitir que pacientes controlem dispositivos digitais sem as mãos;
• Epoc Flex e Insight (Emotiv): headsets sem fio com eletrodos EEG para uso em pesquisa científica, desenvolvimento de sistemas de controle sem as mãos e aplicações em jogos;
• Fones de ouvido (Neurable): fones de ouvido bluetooth com cancelamento de ruído que incorporam eletrodos EEG invisíveis para uso diário, aplicáveis em contextos como jogos de realidade virtual e foco;
• Próteses neurais (braços robóticos): sistemas que decodificam sinais cerebrais de regiões motoras para controlar diretamente membros artificiais e restaurar a função motora em indivíduos com amputações ou paralisia;
• Restauração da comunicação (pessoas com ELA/paralisia): tecnologias que permitem pacientes com perdas vocais ou motoras possam soletrar palavras ou selecionar frases em uma tela, transformando pensamentos em texto ou fala;
• Neurofeedback e reabilitação cognitiva: uso de ICM para treinar pacientes a modular sua própria atividade cerebral para tratar condições como TDAH, ou para acelerar a recuperação motora após um AVC.

Quais são as vantagens da interface cérebro-máquina?

Estes são os principais pontos fortes das interfaces cérebro-computador:

• Acessibilidade aprimorada: permitem que indivíduos com graves deficiências motoras (como paralisia) recuperem o controle sobre dispositivos e ambientes, possibilitando operar cadeiras de rodas, membros robóticos ou comunicar-se usando computadores;
• Restauração de funções: são cruciais em neuropróteses, ajudando a restaurar funções sensoriais, motoras e de fala perdidas, sendo empregadas em terapias de reabilitação para pacientes que buscam recuperar habilidades motoras após um AVC;
• Interação otimizada e intuitiva: oferecem uma forma de comunicação mais direta, rápida e intuitiva entre o cérebro e as máquinas, superando as limitações de velocidade e esforço dos dispositivos de entrada (teclados e mouses);
• Jogos e entretenimento: permitem criar experiências de jogos e aplicativos de realidade virtual/aumentada mais imersivas e envolventes, onde os jogadores podem controlar elementos ou interagir com ambiente digital diretamente com seus pensamentos;
• Coleta e análise de dados cerebrais: fornecem informações em tempo real valiosas sobre a atividade, padrões e funções cerebrais, sendo essenciais para a pesquisa avançada em neurociência, psicologia e desenvolvimento de tratamentos neurológicos.

Quais são as desvantagens da interface cérebro-máquina?

Estes são os principais pontos fracos das interfaces cérebro-máquina:

• Procedimentos cirúrgicos de riscos: as ICMs com técnicas invasivas requerem cirurgia cerebral para a implantação de eletrodos, o que está associado a riscos significativos como infecções, hemorragias, danos ao tecido cerebral e complicações relacionadas à anestesia;
• Alto custo de desenvolvimento e acessibilidade: o desenvolvimento, fabricação e manutenção dos dispositivos são extremamente caros, limitando a acessibilidade e adoção generalizada fora de centros de pesquisa e hospitais especializados;
• Qualidade e latência limitada do sinal: as ICMs não-invasivas como EEG apresentam baixa resolução espacial e alta latência, pois o crânio e a pele atenuam e dispersam o sinal, tornando a decodificação de comandos mais lenta e menos precisa;
• Fadiga cognitiva e sobrecarga mental: o uso contínuo de ICMs, que muitas vezes exige foco e concentração mental intensos para gerar comandos claros, pode levar à fadiga cognitiva, estresse mental e uma diminuição na capacidade de sustentar o desempenho ao longo do tempo;
• Complexidade na decodificação de sinais cerebrais: a tradução dos padrões neurais complexos e dinâmicos em comandos claros e utilizáveis exige algoritmos de aprendizado de máquina sofisticados e grande volume de dados de treinamento personalizados para cada usuário;
• Preocupações éticas, de segurança e de privacidade: a capacidade de acessar e registrar dados cerebrais levanta sérias questões sobre a autonomia cognitiva (liberdade mental) e o potencial uso indevido ou falhas de segurança na proteção de informações neurais altamente sensíveis (brain-hacking).

Qual é a diferença entre interface cérebro-máquina e próteses neurais?

Interface cérebro-máquina é uma tecnologia que estabelece um caminho de comunicação direto entre cérebro e um dispositivo externo, como computador ou membro robótico. Ela tem a função de traduzir a atividade neural (pensamentos, intenções) capturada em comandos que a máquina pode executar.

Prótese neural é um dispositivo médico projetado especificamente para substituir ou restaurar uma função perdida do sistema nervoso. Ela usa a tecnologia ICM para receber sinais neurais, permitindo o movimento de um membro protético ou a percepção sonora com um implante coclear.

Interface cérebro-máquina: saiba como funciona o dispositivo neurotecnológico