A Aventura de Conectar Cérebro-Máquina


Até que ponto a ciência terá progressos na interface cérebro-máquina? Poderemos descarregar a última notícia de um site diretamente no cérebro humano, como se o órgão fosse um imenso flash drive?

Revista Scientific American - por Gary Stix

Na ficção científica Cyberpunk que emergiu na década de 80 eram comuns as referências a "implantes neurais" para conectar um dispositivo computacional diretamente ao cérebro: "Eu tinha centenas de megabytes armazenados na minha cabeça", proclamava o protagonista principal de Johnny mnemonic, a historia de William Gibson que em 1995 se tornou Johnny Mnemonic, o cyborg do futuro um filme totalmente descartáveI, estrelado por Keanu Reeves.

O mérito do então emergente gênero - nos tempos em que um megabyte ainda impressionava as pessoas - era sua combinação da cultura de submundo retrô com tecnologia, que parecia estar pouco acima da capacidade do mais hábil bioengenheiro. Embora os implantes não pudessem ser reproduzidos no Massachusetts Institute of Technology ou no California Institute of Technology, os melhores autores cyberpunks davam a impressão de que um dia essas invenções ainda poderiam se materializar, talvez até mesmo dentro de uma geração.

Mas, nos últimos dez anos, surgiram abordagens mais realistas de tecnologias originalmente evoca das na literatura cyberpunk. Uma pessoa com eletrodos implantados no cérebro usou somente sinais neurais para controlar um braço protético, um prelúdio para seres humanos superarem a incapacitação de membros decorrente de esclerose lateral amiotrófica ou acidente vascular cerebral (AVC). Pesquisadores também estão investigando como enviar mensagens elétricas no sentido inverso, proporcionando sinais de feedback que permitam a um primata sentir efetivamente o que um braço robótico está tocando.

Até que ponto podemos criar peças de reposição para o cérebro e todo o sistema nervoso? Além de controlar um cursor de computador ou um braço robótico, será que a tecnologia permitirá, realmennte, que os 100 bilhões de neurônios do cérebro funcionem como depósito clandestino de dados roubados por espionagem industrial ou outro artifício qualquer emprestado das tramas de Gibson? Os mistérios do funcionamento do cérebro provavelmente subverterão os progressos em direção a uma fusão da ficção com a realidade.

  • Humanos se tornarão máquinas?

Os atuais roteiristas hollyvvoodianos sobre o futuro, herdeiros menos habilidosos da tradição cyberpunk original, abraçaram essas neurotecnologias. A singularidade está próxima (Singularity is near), que deverá estrear em 2009, é um filme baseado nas idéias de Ray Kurzweil, cientista da computação, para quem os humanos acabarão alcançando uma forma de imortalidade, com a transferência de um modelo digital de seu sistema nervoso central para um computador ou robô.

Mas o sonho de eternidade na forma de um avatar semelhante a um Max Headroom aprisionado dentro de um aparelho de TV (ou resultante de uma operação "cortar e colar" no mais recente robô humanóide) permanece apenas um pouco menos distante que quando René Descartes elucubrava sobre o dualismo mente-corpo no século 17. A transferência em massa do eu - facsímile, produzido por uma máquina, da percepção da coloração avermelhada de um alvorecer, a constante mutação da paleta emocional interior e o restante da mescla que evoca a particular sensação subjetiva de mundo que é a essência da vida consciente - ainda não é mais que um recurso literário de escritores de ficção.

O exagero bombástico sobre próteses controladas pelo pensamento reflete a falta de conhecimento sobre os mecanismos básicos do funcionamento neural necessários para introduzir informações no cérebro e recriar uma experiência cyberpunk idêntica à da vida real. "Sabemos muito pouco sobre circuitos cerebrais envolvidos em cognição de alto nível", diz Richard A. Andersen, neurocientista da Caltech.

Assim, será que temos realmente condições de implementar a interação entre cérebro e máquina? Será que os progressos desde os primeiros experimentos com eletroencefalografia (EEG) até braços e cursores de computador controlados pelo cérebro sugerem um progresso inevitável e determinístico? Se esses avanços não seguirem na direção de uma singularidade kurzweiliana, talvez, mais adiante, poderão ser usados para inserir pelo menos algumas informações cognitivas de alto nível no cérebro. Poderemos fazer um download de Guerra e Paz ou, inspirados em Matrix, com um comando baixar um manual sobre como pilotar helicópteros? Quais as chances de inserir a frase "Um cão da pesada" [do filme homônimo] na memória de alguém que não tenha consciência da transferência? Ou, apenas a palavra "cão"?

Essas indagações não são totalmente acadêmicas, embora alguém possa argumentar que seria muito mais fácil comprar um par de óculos e fazer as coisas à moda antiga. Mesmo que um duto de conexão , com o córtex permaneça para sempre um sonho de ficção científica, uma compreensão de como fótons, ondas sonoras, moléculas aromáticas e pressão sobre a pele sejam traduzidos em lembranças duradouras, serão mais que mero entretenimento cyberpunk. Uma prótese ne eural construída com base em conhecimento sobre esses processos subentendidos poderia ajudar vítimas de AVCs ou pacientes com o mal de Alzheimer a formar novas lembranças.

Meios primitivos de conexão já existem no céreebro de milhares de pessoas. Pessoas surdas ou com sérias dificuldades de audição receberam implantes cocleares que estimulam o nervo auditivo com sons capturados por microfone - dispositivo que o neurocientista Michael S. Gazzaniga, da University of California, em Santa Bárbara, caracterizou como a primeira neuroprótese bem-sucedida em humanos. Arranjos de eletrodos que funcionam como retinas artificiais estão em desenvolvimento em laboratório. Se funcionarem, algum aperfeiçoamento adicional poderia proporcionar capacidade de visão noturna a seres humanos.

O objetivo mais ambicioso de conetar o Amazon. com diretamente ao hipocampo - uma estrutura neural envolvida com a formação de lembranças ˆexige tecnologia ainda não disponível. Para isso seriam necessárias formas de estabelecer conexões confiáveis entre neurônios e o mundo extracraniano - e um meio de traduzir uma versão digital de Guerra e paz para uma linguagem de comunícação entre neurônios. Pistas de como isso poderia acontecer podem ser encontradas em pesquisas avançadas sobre interfaces cérebro-máquina em desenvolvimento.

  • Texto salvo no cérebro

Para haver o armazenamento de texto no cérebro é preciso inserir eletrodos diretamente no tecido cerebral, impedimento que poderia tornar os implantes neurais impraticáveis, exceto para pessoas com deficiências. Como se sabe há quase um século, a atividade elétrica cerebral pode ser detectada através de exames não invasivos. Um dispositivo semelhante a uma touca de nadador cheia de eletrodos pode transmitir sinais de um paciente com paralisia, permitindo que ele digite teclas de letras em uma tela ou navegue na internet. Niels Birbaumer, da Universidade de Tübingen, Alemanha, e importannte desenvolvedor da tecnologia, prevê que a estimulação do córtex, mediante tentativa e erro, usando um sinal magnético externo ao cérebro, poderia localizar palavras como "ver" ou "correr". Após mapeadas, essas áreas poderiam ser ativadas para evocar essas lembranças - ao menos em tese.

Alguns neurotecnólogos acreditam que se determinadas palavras se localizam em locais específicos no cérebro - o que é discutível -, encontrar esses pontos provavelmente exigiria maior precisão que a proporcionada por uma "touca". Um implante invasivo, atualmente em desenvolvimento, poderia fornecer a capacidade de focalização precisa necessária. Philip R. Kennedy, da Neural Signals e seus colegas desenvolveram um dispositivo que registra sinais de saída de neurônios. Esse tipo de interconexão permite que a vítima de um AVC envie uma ordem mental a um computador que a interpreta, por exemplo, como uma vogal, capaz de ser vocalizada por um sintetizador de fala. Esse é um passo que leva à formação de palavras inteiras. Esse tipo de interface cérebro-máquina poderia também ser usado para ativar neurônios individuais.

Interconexões ainda mais precisas seriam fornecidas em escalas nanométricas por fibras com 100 nanometros ou menos de diâmetro, facilmente conectadas a neurônios individuais devido a suas dimensões e propriedades eletromecânicas. Jun Li, da Kansas State University e seus colegas criaram uma estrutura semelhante a uma escova em que cerdas de nanotubos servem como eletrodos para estimuular ou receber sinais neuronais. Li prevê que o dispositivo poderia funcionar contra a doença de Parkinson ou depressão, para estimular uma prótese de braço ou até para flexionar músculos de astronautas durante voos espaciais prolongados, para impedir o inevitável enfraquecimento muscular que ocorre em gravidade zero.

  • Aprendizagem de idioma

A realização da fantasia de inserir no cérebro um livro de cálculo diferencial e integral - ou mesmo incorporar um guia de viagem antes de sair em férias - exigiria um conhecimento muito mais profundo sobre sinais cerebrais que codificam a linguagem e outras representações neurais.

A decifração do código neural é um dos maiores desafios em neurociência - e, para nos apropriarmos da expressão usada por Freud, provavelmente abriria uma via privilegiada para a compreensão da consciência. Teóricos formularam muitas idéias para explicar como bilhões de neurônios e trilhões de sinapses, que os interconectam, podem enviar mensagens significativas entre si. A mais antiga dessas idéias é que o código corresponde à taxa de disparo de centelhas de tensão, geradas por um neurônio.

Embora a taxa dos códigos possa ser suficiente para provocar alguns estímulos, não seria suficiente para pôr em funcionamento um Marcel Proust ou um Richard Feynman e permitir uma "captura de tela mental" ou a abstração conceitual de um livro repleto de equações diferenciais. Trabalhos mais recentes têm se concentrado no ritmo preciso dos intervalos entre cada centelha - códigos temporais - e nos padrões em constante mutação de como os neurônios são disparados em conjunto - códigos populacionais.

Pesquisas que há mais de uma década visam construir um hipocampo artificial para ajudar pessoas com déficit de memória poderiam ajudar a baixar informações para o cérebro. Além disso, poderiam ter o benefício colateral de ajudar pesquisadores a melhorar sua compreensão do processo de codificação. Uma colaboração entre a University of Southern California e a Wake Forest University serviu para modeelar um componente substituto para essa estrutura cerebral responsável pela formação da memória. O hipocampo, aninhado no lobo temporal, sofre lesões, em vítimas de AVCs ou do mal de Alzheimer. Um atalho eletrônico de um hipocampo lesado poderia restaurar a capacidade de formar novas lembranças. O projeto, financiado pela National Science Foundation e pela Defense Advanced Research Projects Agency, poderia finalmente avançar, melhorando memórias normais ou ajudando a deduzir os códigos necessários para cognição de alto nível.

Os dois grupos -liderados por Theodore W. Berger, da University of Southern California e Samuel Deadwyler, da Wake Forest - estão preparando um documento técnico revelando que sinais de um hipocampo artificial assumiram, no lugar do órgão biológico, a tarefa de consolidação da lembrança que um camun responsável pela formação da memória. O hipocampo, aninhado no lobo temporal, sofre lesões, em vítimas de AVCs ou do mal de Alzheimer. Um atalho eletrônico de um hipocampo lesado poderia restaurar a capacidade de formar novas lembranças. O projeto, financiado pela National Science Foundation e pela Defense Advanced Research Projects Agency, poderia finalmente avançar, melhorando memórias normais ou ajudando a deduzir os códigos necessários para cognição de alto nível.

Os dois grupos -liderados por Theodore W. Berger, da University of Southern California e Samuel Deadwyler, da Wake Forest - estão preparando um documento técnico revelando que sinais de um hipocampo artificial assumiram, no lugar do órgão biológico, a tarefa de consolidação da lembrança que um camundongo tem de apertar uma alavanca para receber água. Normalmente, o hipocampo emite sinais que são retransmitidos para áreas corticais responsáveis por lembranças de longo prazo de um acontecimento. No experimento, uma substância química incapacitou temporariamente o funcionamento normal do hipocampo. Quando o camundongo apertava a alavanca correta, sinais elétricos de entrada provenientes de áreas sensoriais e outras do córtex eram canalizados por meio de um microchip que, segundo os cientistas, transmitiam os mesmos sinais que o hipocampo teria enviado. A comprovação de que um dispositivo artificial tenha irmitado a produção de sinais de saída do hipocampo é mais um passo na dedução do código subjacente que poderia ser usado para criar uma lembrança no córtex motor - e talvez, um dia, decifrar comportamentos de nível ainda mais elevado.

Se o código correspondente à frase "Um cão da pesada" - ou talvez um manual técnico inteiro - pudesse ser conhecido com segurança, em princípio poderia ser inserido diretamente numa série de eletrodos no hipocampo (ou outras áreas do córtex), evocando a cena de Matrix, em que instruções de pilotagem de um helicóptero são baixadas via telefone celular. Pesquisas com hipocampos artificiais postulam um cenário apenas um pouco mais prosaico. "Os tipos de exemplo que o Departamento de Defesa dos Estados Unidos gosta de usar são tipicamente informações codificadas para pilotar um F-15", diz Berger.

A aparente simplicidade do modelo de entradas neurais propostos por estudos relacionados ao uso de um hipocampo artificial pode gerar mais perguntas que respostas. Será que um implante poderia sobrescrever lembranças existentes? Será que o código correspondente à frase "Um cão da pesada" seria idêntica para mim e para você ou para uma pessoa que falasse curdo? Será que os códigos do hipocampo se fundiriam claramente a outros circuitos que fornecem o contexto apropriado, um referencial semântico para a frase? Será que "Um cão da pesada" seria interpretado erroneamente, como uma confusão na lavanderia, em vez de um cachorro caminhando?

Neurocientistas acreditam que a linguagem do cérebro poderá não ser decifrada até que nossa compreensão ultrapasse a leitura de meras centelhas de tensão. "Juntar um conjunto de sinais, tentar compreennder seu significado, e correlacioná-Ios com certos comportamentos, não solucionará a questão", adverte Henry Markram, diretor de neurociência e tecnologia do Instituto Federal Suíço de Tecnologia, em Lausanne. Uma dada entrada em um neurônio ou grupo de neurônios pode produzir uma saída específica - por exemplo, a conversão de entradas sensoriais em lembranças de longo prazo pelo hipocampo -, através de diversas trajetórias. "Enquanto houver muitas maneiras de fazê-Io, não estaremos sequer perto de uma solução" , prevê Markram.

O Blue Brain Project, comandado por Markram, é uma tentativa iniciada em 2005, que pretende usar simulações baseadas em supercomputadores para desvendar; mediante técnicas de engenharia reversa, o cérebro em nível molecular. A idéia é modelar inicialmente o órgão mais simples de um camundongo, e depois, a versão em seres humanos, para desvendar funções subjacentes aos processos neurais. No caso da versão humana será necessário esperar por um computador com capacidade de processamento mil vezes maior que os supercomputadores atuais.

Os desafios envolvidos para descobrir como transferir informações para o cérebro sugerem um limite prático previsível para o progresso da neurotecnologia. A tarefa de formação da multidão de conexões que formam uma lembrança é completamente diferente da magnetização de um conjunto de bits num disco rígido. "Informações complexas, como o conteúdo de um livro, exigiriam interações de um número muito grande de células cerebrais numa área muito grande do sistema nerrvoso", avalia o neurocientista John P. Donoghue, da Brown University. "Por isso, não seria possível acessar todas elas fazendo-as armazenar em suas conexões o tipo correto de informações. Com base em nosso conhecimento atual, eu diria que isso não é possível."

Gravar informações no cérebro poderá continuar um sonho perdido no ciberespaço. Mas a aparente impossibilidade não deixa Donoghue menos otimista sobre expectativas de alimentar informações de outra maneira e de desenvolver próteses comandadas pelo cérebro, para pessoas gravemente incapacitadas. Ele estuda a implantação de uma série de eletrodos no cérebro, capazes de proporcionar uma comunicação direta do córtex com uma prótese de braço ou mesmo uma cadeira de rodas.

Nos próximos cinco anos, prevê Donoghue, essas interfaces cérebro-máquina permitirão que uma pessoa paralisada apanhe um copo e tome um gole de água, e que em um futuro mais distante esses sistemas possam ser ainda mais refinados. Assim, uma pessoa com uma lesão na medula espinhal superior poderia realizar o impensável, participar de um jogo de basquetebol com próteses que materializariam O homem de seis milhões de dólares, série de TV da década de 70. Mesmo sem um duto para entrada de informações no cérebro, pacientes incapacitados e cientistas dedicados à pesquisa básica poderiam aproveitar as vantagens de dispositivos menos sofisticados. Gert Pfurtscheller e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Graz, na Áustria, anunciaram no ano passado que um paciente com lesão na medula pôde, apenas com seu pensamento, caminhar através de um ambiente virtual, deslocando-se de um extrem

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