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Microdispositivo implantável no cérebro poderá restaurar visão e audição em pessoas com deficiência

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Fonte

Universidade Rice

Data

quinta-feira, 27 julho 2017 19:10

Áreas

Bioeletrônica. Engenharia Biológica. Engenharia Biomédica. Neurologia. Neurociência. Comunicação.

Engenheiros da Universidade Rice, nos Estados Unidos, estão construindo um microscópio plano, chamado FlatScope^TM, e desenvolvendo software que pode decodificar e ativar neurônios na superfície do cérebro. O objetivo da tecnologia é fornecer uma alternativa para que a visão e o som cheguem diretamente ao cérebro.

O projeto faz parte de um investimento de 65 milhões de dólares anunciado na segunda semana de julho pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA, em inglês) para desenvolver uma interface neural de alta resolução. Entre os objetivos de longo prazo, o programa “Projeto de Sistemas de Engenharia Neural” (NESD) espera compensar a perda de visão ou audição de uma pessoa, fornecendo informações digitais diretamente para partes do cérebro que podem processá-la.

Os pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e de Informática da Universidade Rice se concentrarão primeiro na visão. Eles receberão 4 milhões de dólares ao longo de quatro anos para desenvolver uma interface óptica de hardware e software. A interface óptica detectará sinais de neurônios modificados que geram luz quando estão ativos. O projeto é uma colaboração com a Universidade Yale, liderada pelo neurocientista Dr. Vincent Pieribone.

As sondas atuais que monitoram e fornecem sinais aos neurônios – por exemplo, para tratar a doença de Parkinson ou a epilepsia – são extremamente limitadas, de acordo com a equipe da Universidade Rice. “Os sistemas de última geração têm apenas 16 eletrodos e isso cria um verdadeiro limite prático sobre a qualidade das informações que podemos capturar do cérebro”, disse o engenheiro Dr. Jacob Robinson.

Outros membros da equipe estão encarregados de desenvolver uma interface fina que possa monitorar e estimular centenas de milhares ou talvez milhões de neurônios no córtex, a camada mais externa do cérebro.

“A inspiração vem dos avanços na fabricação de semicondutores”, explica o Dr. Robinson. “Somos capazes de criar processadores extremamente densos com bilhões de elementos em um chip para o telefone em seu bolso. Então, por que não aplicar esses avanços nas interfaces neurais? ”

O Dr. Caleb Kemere, que também participa do projeto, disse que outras equipes que participam do projeto multi-institucional estão investigando dispositivos com milhares de eletrodos para abordar neurônios individuais. “Estamos adotando uma abordagem totalmente óptica em que o microscópio pode ser capaz de visualizar um milhão de neurônios“, disse o pesquisador.

Isso exige que os neurônios sejam visíveis. Na Universidade Yale, os pesquisadores estão reunindo conhecimentos em bioluminescência com o objetivo de programar neurônios com proteínas que liberam um fóton quando acionado. “A ideia de manipular células para criar luz quando há um impulso elétrico não é extremamente sofisticada no sentido de que já estamos usando fluorescência para medir a atividade elétrica”, disse o Dr. Robinson.

O dispositivo em desenvolvimento é parecido com o FlatCam da Universidade Rice e tem o objetivo de viabilizar lentes ainda menores nas câmeras. O novo projeto tornaria o FlatCam mais plana e pequena o suficiente para ser colocada entre o crânio e o córtex sem colocar pressão adicional no cérebro e com capacidade suficiente para detectar e transmitir sinais de talvez milhões de neurônios para um computador.

“O microscópio que estamos construindo captura imagens tridimensionais, então poderemos ver não apenas a superfície, mas também uma certa profundidade abaixo”, afirmou o Dr. Ashok Veeraraghavan. “No momento, não conhecemos o limite, mas esperamos poder ver 500 microns de profundidade“.

“Isso deve nos levar às camadas densas do córtex, onde pensamos que a maioria dos cálculos está realmente acontecendo, onde os neurônios se conectam”, estima o Dr. Caleb Kemere.

Uma equipe da Universidade de Colômbia está enfrentando outro grande desafio: a capacidade de gerir e coletar dados de maneira sem fio a partir da interface.

Em seu anúncio, a DARPA descreveu seus objetivos para o dispositivo implantável. “Parte do desafio fundamental da pesquisa será desenvolver uma compreensão profunda de como o cérebro processa audição, fala e visão simultaneamente com a precisão do nível de um neurônio individual e em uma escala suficiente para representar imagens detalhadas e som“, de acordo com a agência. “As equipes selecionadas aplicarão seus conhecimentos sobre esses processos biológicos para o desenvolvimento de estratégias para interpretar a atividade neuronal rapidamente e com a mínima potência e recursos computacionais”.

“É incrível”, disse o Dr. Caleb Kemere. “Nossa equipe está trabalhando em três desafios loucos, e cada um deles está na fronteira do conhecimento. É realmente emocionante. Este projeto específico da DARPA é divertido porque eles não escolheram apenas um desafio de ficção científica, mas um desafio em múltiplas dimensões “.

Assista ao vídeo de apresentação do projeto (em inglês):

 

Fonte: Mike Williams, Universidade Rice. Imagem: Divulgação.

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