O estudo é descrito em um artigo publicado na edição de 29 de maio da Science Translational Medicine .

Os obstáculos que impedem uma compreensão profunda do cérebro, bem como a sua interação direta com dispositivos externos, como braços robóticos e computadores, são incrivelmente elevados. O cérebro, em qualquer medida, é uma máquina incrivelmente comprimida. Por realizar tantas tarefas com os centímetros cúbicos que lhe são atribuídos, são necessários instrumentos de precisão para atingir a sensibilidade e a resolução necessárias para ver o que o cérebro está fazendo. Existem técnicas para fazer isso em pequenas áreas do cérebro em modelos animais. No entanto, gerir esta façanha em maior escala é um desafio devido principalmente ao invólucro ósseo do cérebro humano, o crânio.

Por oito anos, Mikhail Shapiro, professor Max Delbruck de Engenharia Química e Engenharia Médica e investigador do Howard Hughes Medical Institute, tem colaborado com Richard Andersen, professor de neurociência James G. Boswell e diretor e presidente de liderança do T&C Chen Centro de Interface Cérebro-Máquina e pesquisadores do Inserm em Paris, para serem pioneiros no uso de imagens de ultrassom funcional como interface cérebro-computador.

O ultrassom diagnóstico funciona um pouco como a ecolocalização usada por golfinhos ou morcegos. Sons de alta frequência são emitidos e refletem nas fronteiras entre os materiais que encontram, incluindo tecidos moles e sangue. Dando um passo adiante, uma técnica chamada imagem de ultrassom funcional usa imagens de alta taxa de quadros e algoritmos de computador para visualizar alterações no volume sanguíneo no cérebro. Quando os neurônios do cérebro estão ativos, eles utilizam recursos metabólicos fornecidos pela corrente sanguínea. Ao medir as alterações no volume sanguíneo, os investigadores podem inferir quando e onde a actividade do cérebro está a mudar.

Em 2021 e 2023 , as equipes de Andersen e Shapiro publicaram pesquisas realizadas em primatas não humanos que mostraram que os dados de um ultrassom do cérebro poderiam ser decodificados com sucesso para indicar uma intenção formada no cérebro, mesmo antes que a ação correspondente a essa intenção pudesse ser realizada. .

Agora demonstraram que isto também pode ser conseguido num ser humano adulto num ambiente natural, ou seja, fora da sala de operações.

Para produzir essas leituras ultrassonográficas precisas da atividade cerebral, uma parte do crânio deve ser removida e substituída por uma “janela” através da qual os sinais ultrassonográficos possam passar. Os voluntários para tal procedimento são, sem surpresa, escassos, mas acontece que muitas pessoas devem ter uma parte do crânio removida – o que é conhecido como craniectomia – para aliviar a pressão após uma lesão cerebral traumática grave.

"Uma lesão cerebral traumática faz com que o cérebro inche. Se removermos uma parte do crânio e permitirmos que o cérebro se expanda e depois retorne gradualmente ao seu tamanho normal, melhoraremos muito os resultados para os pacientes", explica Whitney Griggs (PhD '23) , estudante de medicina do Programa de Treinamento de Cientistas Médicos da UCLA-Caltech e coautor do novo artigo.

Eventualmente, o cérebro precisa que sua cobertura protetora seja substituída. “Se o osso não estiver muito danificado pela lesão em si, ele poderá ser substituído”, diz Griggs. “Mas, muitas vezes, isso não é possível, e os neurocirurgiões devem usar outros materiais, como malha de titânio ou implantes cranianos personalizados”.

Claire Rabut, ex-pós-doutoranda no laboratório de Shapiro e atualmente visitante em engenharia química na Caltech, fez experiências com materiais usados ??para implantes cranianos e descobriu que o acrilato de polimetila, já favorecido por sua esterilidade e resistência, também era transparente aos sinais acústicos utilizados pelos ultrassom. Sumner Norman, também ex-pós-doutorado nos laboratórios de Andersen e Shapiro, trabalhou com Rabut para criar um implante que, segundo Norman, "serviria não apenas como uma prótese segura e cosmeticamente transparente, mas também seria transparente o suficiente para que as ondas de ultrassom pudessem atingir o alta sensibilidade necessária para imagens funcionais do cérebro."

O implante resultante tinha 4 milímetros de espessura total, mas tinha uma janela de 2 milímetros de espessura através da qual um transdutor de ultrassom podia gerar imagens de uma região do cérebro conhecida como córtex parietal posterior e, atrás dele, o córtex motor. “Esta área do cérebro, importante para formar intenções e realizar ações motoras, já foi exaustivamente estudada através de outros métodos em nosso laboratório”, diz Andersen. "Com o ultrassom, podemos obter imagens do cérebro com uma resolução de um quinto de milímetro."

A equipe trabalhou com Charles Liu, neurocirurgião da USC e associado visitante em biologia e engenharia biológica na Caltech, para identificar pacientes cujas lesões cerebrais exigiriam um implante craniano e para os quais a ultrassonografia não criaria nenhum risco adicional. Após se recuperar da cirurgia, o paciente selecionado foi solicitado a realizar algumas tarefas simples enquanto eram feitas ultrassonografias de seu cérebro. “Tal como aconteceu com os primatas não humanos, os dados de ultrassom do paciente indicavam intenções – mover este joystick, dedilhar esta guitarra – enquanto as próprias ações eram realizadas”, diz Liu.

O ultrassom não é a primeira tecnologia para obtenção de imagens do cérebro, mas apresenta diversas vantagens sobre outros métodos de imagem, como a ressonância magnética funcional. “Se você já fez uma ressonância magnética, sabe que era grande e barulhenta, e você teve que ficar deitado muito quieto dentro de um tubo enquanto o exame era feito”, diz Rabut. "O ultrassom, por outro lado, é portátil e relativamente pequeno. Você tem uma sonda portátil que pode custar alguns milhares de dólares, em oposição aos milhões de dólares necessários para comprar um aparelho de ressonância magnética. Mais importante ainda, para fins de pesquisa, você não pode observar a atividade cerebral de um paciente que está sentado, acordado e fazendo coisas muito ativas com a ressonância magnética, você pode estudar a atividade cerebral em ambientes normais da vida real."

A substituição de uma parte do crânio de uma pessoa é menos invasiva do que algumas outras técnicas usadas para monitorar a atividade cerebral. “A cirurgia para colocação de um implante craniano é feita na parte superior da dura-máter, o resistente envelope de tecido que protege o cérebro”, explica Rabut. "Há muito pouco risco de infecção. Em contraste, se você implantar eletrodos no cérebro, estará realizando uma cirurgia no próprio cérebro. Além disso, esses eletrodos só podem monitorar alguns neurônios. Com o ultrassom, podemos obter imagens de muito campo mais amplo." (No entanto, as matrizes de microeletrodos têm resolução temporal mais alta e podem registrar populações de neurônios únicos, portanto, ambas as tecnologias têm seus prós e contras para interfaces cérebro-máquina.)

“Há uma série de intervenções que requerem a remoção de uma parte do crânio”, diz Shapiro. “Portanto, há muitos pacientes que poderiam se beneficiar potencialmente de um implante craniano que seja transparente aos sinais acústicos usados ??pelo ultrassom”.

O artigo é intitulado " Imagem de ultrassom funcional da atividade neural humana adulta através de uma prótese craniana acusticamente transparente ". Os co-autores incluem Rabut, Norman, Griggs, Andersen e Shapiro da Caltech; Liu e Jonathan Russin da USC; e Vasileios Christopoulos da UC Riverside e associado visitante em biologia e engenharia biológica na Caltech. Este trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, o Centro de Interface Cérebro-Máquina T&C Chen, a Fundação Boswell, o National Eye Institute, uma bolsa Josephine de Karman, o Programa de Treinamento de Cientistas Médicos UCLA-Caltech, uma bolsa de pós-doutorado Della Martin, uma bolsa interdisciplinar do Human Frontier Science Program, o Howard Hughes Medical Institute e o USC Neurorestoration Center.