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Conforme redes neurais humanas e redes eletrônicas digitais vão convergindo, surge o debate sobre como fazer melhor a
conversão de dados neurais para formatos digitais. Como o cérebro humano é equipado com órgãos sensores de alta resolução,
há muitos caminhos óbvios para entrada digital-neural, mas os sistemas orgânicos não apresentam suficientes saídas neurais
para captação direta de pensamentos, memórias, e sonhos para uma memória digital. Uma variedade de métodos tem sido
pioneiros em capturar pensamentos, incluindo fios sensores inseridos, malhas sensoriais inseridas, e sensores
não-invasivos aplicados à pele. O sucesso inicial com sensores neurais indica que o progresso nesse campo é possível, mas
cada método tem limitações funcionais e problemas distintos. Dada a severidade das intervenções necessárias para a captura
neural-digital de memória com alta resolução, a análise sugere que uma combinação de métodos invasivos e não-invasivos
será desenvolvida para satisfazer exigências específicas do usuário final, e que o mercado consumidor definirá melhor o
caminho para tecnologias minimamente invasivas e ainda suficientemente boas, em oposição a tecnologias radicalmente
invasivas para o usuário final.
Capacetes e Faixas de Cabeça EEG
Baseados na história do mercado de consoles para videogames, podemos esperar que interfaces neurais comerciais divergirão
para um punhado de plataformas particulares e incompatíveis. No campo dos sensores de ondas cerebrais por
eletroencefalograma (EEG), um pequeno número de competidores emergiu em nichos do mercado. A MindFlex da Mattel é dirigida
a jogos simples e uso de consumidores pessoais; a Emotiv Epoch é projetada para ser uma controladora de jogos sofisticados
e aparelhagem biomédica; e a g.tec Intendix é projetada como um sistema tipo baseado em EEG para inválidos. Capacetes EEG
não produzem um controle preciso sobre a saída : os dados captados por um capacete EEG são um agregado grosseiro de
atividade cerebral superficial e ele responde somente a comandos genéricos. O Emotiv Epoch, por exemplo, é capaz somente
de 12 opções distintas de controle, tornando-o comparável a um controlador tipo console de jogos que exige algum
treinamento e prática para ser dominado. Interfaces EEG são mais indicadas para controlar videogames, cadeiras de rodas e
computadores, ou executar tarefas como escolher SIM ou NÃO enquanto se percorre uma lista de opções, mas elas não podem
ler pensamentos internos ou interpretar dados visuais internos. Embora o hardware de plataformas EEG tenha configuração
particular, suas interfaces USB simples torna-as altamente flexíveis. Por exemplo, a Emotiv Epoch já foi testada como
controle remoto baseado em pensamentos para um robô espião, e a MindFlex foi transformada pelo Harcos Labs no pior
brinquedo já produzido, um dispositivo de meditação/tortura que recompensa você por manter sua mente tranqüila e lhe
aplica um choque por pensar.
A vantagem dos capacetes EEG é que todos eles empregam uma tecnologia similar, são não-invasivos, e podem ser removidos à
vontade; a desvantagem é que não proporcionam controle preciso, requerem algum treinamento e prática para serem usados, e
exigem um alto nível de concentração para operarem. O preço de dispositivos comerciais EEG para a cabeça é ainda acima de
US $ 200, e seu uso é bastante raro, mas é razoável assumir que controladores EEG tornar-se-ão mais comuns quando o preço
cair para menos de US $ 100, ou talvez quando a Nintendo apresentar um conjunto de jogo EEG para o Wii. Usar um conjunto
EEG para cabeça como dispositivo de memória pessoal (PMD) para monitorar a atividade cerebral diária pode, com o tempo,
gerar soluções baseadas em software para extrapolar pensamentos complexos a partir de grande número de leituras na
superfície do cérebro. A Intel demonstrou recentemente um software que pode revelar o que um usuário está pensando através
de leituras fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) escaneadas. Leituras MRI (Magnetic Resonance Imaging) são mais
potentes e mais detalhadas que as leituras EEG, mas um modelo para leitura da mente por ondas cerebrais deve ser
desenvolvido. No futuro, leitores EEG não-invasivos deverão ser aperfeiçoados com o uso de sensores melhores, como
sensores de potenciais eletrônicos (EPS) que podem ler ondas cerebrais a uma distância de alguns metros, mesmo através de
paredes. Uma combinação de sensores integrados EEG e EPS em um único conjunto para a cabeça pode proporcionar graus mais
precisos de controle por monitoração e saída.
Sensores por Condução Neural
Sensores por condução neural monitoram a atividade elétrica através da pele, nervos ou músculos. A forma mais comum de
sensor neural é o conjunto transcutâneo de eletrodos, uma rede de pinos inseridos diretamente na pele, nervos, e tecido
muscular, mais ou menos como você poderia inserir um microchip em uma placa de circuitos. Kevin Warwick é famoso por usar
um conjunto desses inserido em seu antebraço para controlar uma mão biônica e partilhar pulsos neurais não-verbais com sua
esposa, que também estava conectada a um conjunto similar. Ainda que conjuntos transcutâneos de sensores requeiram a
introdução de pinos na pele, eles permitem um nível de controle muito apurado. Um típico conjunto de eletrodos Utah é uma
rede dez por dez de 100 pinos inseridos diretamente no tecido. Isto permite uma apurada detecção de sinal e agrupamento
com uma área relativamente pequena de interface, e que pode em seguida ser otimizada com o uso de múltiplos sensores
inseridos trabalhando juntos. Conjuntos de eletrodos inseridos são soluções simples para o teste de interfaces neurais,
mas seqüelas orgânicas tais como infecção e feridas torna-os problemáticos para uso prolongado.
Uma alternativa não-invasiva para eletrodos inseridos está sendo explorada pela Ambient Technology em um dispositivo
chamado de AudeoSensor. O Audeo foi desenvolvido para medir a energia de condução em torno dos músculos da laringe e
controlar a produção da fala, e usa eletrodos de aço inoxidável para ler diferenciais de voltagem ao longo da pele na
frente da garganta. Um usuário com o Audeo atado a seu pescoço pode ativar um dicionário reconhecedor de fonemas apenas
pensando claramente com uma fala subvocalizada; pensando sobre falar. Usando essa técnica, Michael Callahan da Ambient fez
a primeira chamada telefônica sem voz na Conferência da Texas Instruments Developer de 2008 em Dallas, usando um sensor
Audeo para “pensar” através de uma conexão Bluetooth e obter a tradução para fala em seu telefone celular. Como um sensor
EEG, o Audeo capta a atividade elétrica superficial e a combina em uma biblioteca de opções de controle. Com os músculos
da laringe, há uma previsão precisa do ritmo da fala, tornando mais fácil a tarefa de agrupar os impulsos subvocalizados
nos músculos do que capturar uma biblioteca similar de ondas cerebrais. Com uma interface de software apropriada, usuários
com um dispositivo como o Audeo atado ao pescoço poderiam estar aptos a mandar mensagens de texto por pensamento, fazendo
notas mentais e salvando-as em arquivo, ou registrar o que estão pensando em um jornal em andamento ou conversação
telefônica com um alto grau de exatidão. Há uma diferença sutil entre pensar internamente e produzir fala subvocalizada,
mas essa é uma diferença pequena o bastante para ser superada com algum treinamento. Com os apropriados sensores na
laringe, aprender como transformar pensamento verbal em comandos mentais é uma questão de prática e domínio de uma nova
biblioteca de sutis técnicas motoras verbais. Placas de contatos epidérmicos não-invasivos, como as usadas no Audeo, podem
ser aplicadas a qualquer grupo de músculos para exercer controle submotor sobre dispositivos externos apenas pensando no
movimento.
Interfaces Neurais Inseridas
Os primeiros estudos com fios ou eletrodos inseridos no cérebro mostraram que os neurônios respondem diretamente a
estímulos elétricos, e que estimulação elétrica a partir de eletrodos inseridos pode ser traduzida diretamente em
percepção. A maioria das pesquisas com eletrodos inseridos se concentrou na correção de problemas de comportamento e
motivação (tais como depressão, doença de Parkinson, e ausência de libido), pela estimulação de glândulas do tronco
encefálico ou da região basal do cérebro anterior para obter uma transmissão com ajuste fino, tipicamente com enfoque nos
caminhos da dopamina. Eletrodos são inseridos no tecido profundo do cérebro através de um orifício no crânio e dirigidos
ao estímulo de um pequeno grupo de neurônios. São projetados para serem controladores unidirecionais enviando corrente
elétrica ao cérebro. Eles não captam ou decodificam a atividade neural para uma saída digital, entretanto nada impede que
eletrodos inseridos sejam projetados para fazer as duas coisas.
O implante de uma prótese visual baseada no sensor Utah ou conjunto similar de eletrodos tem sido proposto, para
proporcionar entrada e saída visuais da atividade cortical através de algo semelhante a um cartucho de vídeo ou interface
de câmera digital. Um arranjo oito por oito de 64 eletrodos em pontos de cada hemisfério do córtex visual foi estimado
como um ponto de partida fácil para manter a integridade referencial em um acesso ao campo visual. Esse nível de bits nas
representações visuais fornecerão imagens borradas ou como mosaicos grosseiros, mas ainda assim podem ajudar pessoas cegas
a se orientar em torno de obstáculos no mundo real. Mapeamento topográfico da atividade visual através de monitoramento
fMRI pode indicar os melhores pontos e profundidades para inserção dos eletrodos necessários à obtenção da percepção
precisa de entrada e saída, e a localização pode ser personalizada aos padrões mapeados de cada indivíduo. Obviamente este
procedimento envolveria algo como crâniotomia, onde uma seção do crânio é removida para prover acesso direto ao córtex. Um
conjunto sensor visual protético pode ser inserido como uma malha ou grade de eletrodos colocados diretamente sobre o
córtex visual, ou pode ser fixado na superfície interior do crânio. Um adaptador Bluetooth especializado ou porta USB
podem ser atarraxados através da placa craniana para acesso I/O plug-and-play. Quando você fizer a ligação com sua
interface cerebral seus olhos se tornarão de imediato uma webcam; sua imaginação se tornará um monitor de computador.
Próteses digitais visuais serão desenvolvidas primeiro para os cegos, mas conforme a tecnologia vá sendo aperfeiçoada,
acesso barato a conexões multisensoriais irão satisfazer a demanda por aplicações militares, acadêmicas, industriais e
recreativas. Os conceitos aplicados a um conjunto de eletrodos visuais podem ser aplicados a um conjunto verbal embebido
na Área de Broca em ambos os hemisférios do cérebro anterior médio, onde linguagem e fala interna se originam. Um sensor
localizado nesta área pode monitorar a produção espontânea de pensamento interno, e pode também ser um bom objetivo para o
monitoramento digital do conteúdo emocional da experiência. Um conjunto de eletrodos inseridos em ambas as áreas do
cérebro, visual e da fala, proveria quase completo controle sobre a entrada e saída da percepção multisensorial. Soluções
especializadas para controlar maquinaria também podem ser exploradas através desses métodos, como demonstrado no
experimento onde um macaco foi capaz de manipular um braço mecânico com um conjunto Utah de 100 pinos do tamanho da uma
sarda colocado diretamente em seu córtex motor. Levando essas técnicas um passo adiante, eletrodos implantados no
hipocampo e no lobo temporal médio podem também ser capazes de monitorar sonhos, registrar memórias visuais, gerar
experiências espirituais, e levar música diretamente para dentro e para fora do cérebro.
A capacidade de transmitir dados para dentro e para fora de nossa consciência tem sido demonstrada em múltiplos
experimentos com múltiplas interfaces indo desde as não-invasivas de baixa fidelidade até as radicalmente invasivas de
alta fidelidade.
Interfaces de Nova Geração
Experimentos pioneiros demonstraram que o tecido neural pode ser rapidamente adaptado para se comunicar através de
sensores digitais inseridos. Julgando a partir do experimento com o macaco e o braço robótico, dominar o controle de um
dispositivo inserido leva dias, não semanas ou meses. O treinamento com interfaces inseridas desenvolve a
neuroplasticidade e novos caminhos para os sinais, promovendo conexões rápidas e robustas com o dispositivo. À medida que
as rotas motoras crescem para promover controle mais preciso sobre máquinas, rotas sensoriais crescerão para captar,
direcionar e analisar com precisão sinais de sensores protéticos. A neuroplasticidade assegura que sistemas humanos podem
se adaptar a sensores digitais através de treinamento, mas os sensores digitais atuais não podem se adaptar à fisiologia
humana. Isso pode causar alguns problemas. Sensores inseridos não são orgânicos, portanto podem causar infecção, feridas,
e são suscetíveis a uma corrosão lenta em um ambiente orgânico. Por causa desses fatores limitantes, mesmo sensores
sintéticos bem projetados terão uma vida útil de uns poucos meses a um ano antes que ferimentos ou lenta deterioração
obriguem que eles sejam removidos ou substituídos. A solução óbvia para esses problemas de longo prazo é produzir uma
interface melhor.
Kevin Warwick, o homem que instalou um conjunto de eletrodos em seu antebraço para controlar uma mão robótica, também
demonstrou que neurônios de rato podem ser adaptados in vitro (em um prato) para fazer interface com uma placa de
circuitos e controlar um pequeno carro robô
(Usando Tecido Vivo Para Controlar Robôs). Com o tempo, esses
controladores neurais inseridos testam e aprendem
as operações do veículo até que começam eles mesmos a pilotar pelo ambiente de um modo parecido com o dos insetos. Levando
esse experimento do nível motor para o sensorial, é possível que um chip de neurônios similar conectado em um loop de
feedback sensorial com uma câmera digital e um conjunto de eletrodos de saída de vídeo, aprenda a usar a câmera e comece a
navegar via informações visuais. Se um dispositivo de controle pode crescer espontaneamente em um prato através da simples
plasticidade de tentativa e erro, há uma boa possibilidade que interfaces sensoriais neurais para qualquer dispositivo
digital possam ser conectadas diretamente ao córtex de modo similar. Para fixar um controlador neural de vídeo ao cérebro
humano, um arranjo de micro-orifícios pode ser perfurado a laser na parte traseira do crânio em uma grade dez por dez para
cada hemisfério do córtex. Esses orifícios poderiam então ser dotados de luvas de ouro ou aço inoxidável que
possibilitariam a inserção e retirada de fibras neurais pré-desenvolvidas através de micropipetas. As micropipetas
passariam através das luvas e perfurariam a fina camada externa do córtex em uma profundidade menor que um milímetro,
permitindo a passagem de sinais neurais através do crânio via terminais com eletrodos selados ou pontos de contato
transcutâneos/transcranianos sob a pele. Os terminais cranianos inseridos poderiam então ser conectados via uma cobertura
ou dispositivo colocado em volta da parte traseira do crânio contendo um controlador neural pré-desenvolvido com a mesma
resolução de bits estabelecida para o campo visual da câmera. Quando o contato dos terminais fosse feito com um
controlador de dispositivos externo, a interface neural começaria a gerar entradas e saídas diretamente do dispositivo
para o córtex. Com a plasticidade sináptica gerada pelos terminais de entrada e saída do controlador e do córtex, o
paciente rapidamente desenvolveria fortes caminhos visuais digitais simplesmente pela prática e aprendizado do uso da
interface.
Um eletrodo neural, ou neurodo, oferece muitas vantagens significativas sobre um eletrodo ou fio metálico. Um feixe
neural passando através de uma luva no crânio não apresenta o mesmo risco de infecção, feridas, ou corrosão como um fio
inserido. Um feixe neural no interior do crânio pode alimentar e energizar a si mesmo com oxigênio do sangue e glucose,
ele não necessita de baterias ou estimulação elétrica para enviar e receber sinais e pode auto-reparar o uso normal e
danos. Um controlador neural dotado com um terminal condutor no exterior do crânio e feixes de fibra ótica no interior do
crânio pode interfacear sensores elétricos e controladores optogenéticos que enviem pacotes de informação neural em
pulsos de luz verde ou amarela, em vez de pulsos elétricos. Controladores optogenéticos oferecem um controle muito mais
apurado sobre sinalização neural direta que controladores elétricos. Neurônios optogenéticos são genéticamente alterados
para conter mecanismos de sinalização sensíveis à luz; LEDs verdes enviam sinais e LEDs amarelos os inibem. Uma combinação
de controladores com fibras óticas, optogenéticos, e neurodos transcranianos oferece a mais alta largura de banda e
fidelidade de potenciais para qualquer interface que possa ser construída com a tecnologia existente. Um controlador de
neurodos optogenéticos com resolução estéreo de 1800 bits é considerado suficiente para saída neural-digital com a
fidelidade inicial visual de uma câmera digital barata. Isso representaria 1800 pontos de contato dos neurodos em arranjos
30x30 de cada lado do córtex visual. Com o tempo, esse arranjo se adaptaria para maior fidelidade de entrada e saída,
alcançando níveis de TV de alta definição e então completa visualização topográfica 3D, num prazo de semanas a meses de
treinamento recíproco e plasticidade mútua entre a pessoa e o controlador.
Embora um arranjo de neurodos optogenéticos possibilite transferência ininterrupta de dados neurais-digitais, a tecnologia
coloca algumas questões éticas e fisiológicas. Admitidamente, ninguém quer neurônios de rato crescendo em seu cérebro, de
modo que doadores de neurônios terão de ser escolhidos e geneticamente classificados para evitar a rejeição. Se um
conjunto de neurodos é construído e personalizado para um indivíduo, os controladores personalizados cresceriam de forma
otimizada a partir de neurônios ou células tronco colhidas daquele indivíduo; isto faria o controlador por neurodos uma
verdadeira extensão da fisiologia daquele indivíduo. Arranjos de neurodos podem ser ligados através de micro-canais
perfurados através do crânio, ou podem ser inseridos como uma tela ou malha ao longo do interior do crânio durante uma
crâniotomia; esse método poderia propiciar acesso ao completo hemisfério cortical através da perfuração de uma única porta
transcraniana de acesso. Como neurodos são orgânicos e ligam a eles mesmos no sistema sensorial, podem ser definidos como
um tipo de exo-córtex, ou uma camada digitalmente estendida do neo-córtex, tornando-os muito difíceis de remover uma vez
que sejam instalados. Quaisquer controladores exo-corticais usando neurônios vivos ou conjuntos de neurodos para
interfacear com estruturas corticais deverão vir com um código genético destrutivo que cause o corte instantâneo de suas
conexões sinápticas. Este código seria aplicado antes do conjunto ser removido para prevenir ruptura sináptica, e
presumivelmente mataria a maior parte dos neurônios da interface nos controladores, tornando-os inúteis. Aperfeiçoar um
processo de remoção limpa de neurodos pode ser mais difícil que construir a própria interface, de modo que qualquer
solução com neurodos inseridos deve ser considerada em princípio como permanente ou semipermanente.
Embora o conceito de arranjo de neurodos seja aplicado aqui a um controlador completo para o córtex visual, é possível
imaginar um modelo mais simplificado reduzido ao tamanho de um globo ocular, onde um conjunto artificial foto-controlador
pré-desenvolvido para a retina seja conectado através de um gânglio de neurodos diretamente no nervo ótico, formando a
base de um olho artificial. Órgãos sensoriais artificiais também podem ser fixados através de um elo neural, como a
recentemente desenvolvida interface plana de eletrodos para nervos (FINE), a qual usa um grampo que achata o nervo
para capturar impulsos e levá-los através de caminhos nervosos interrompidos. Teoricamente, se você fixasse os grampos da
FINE a ambos os nervos óticos e depois aos nervos cocleares, seus olhos e orelhas se tornariam portas I/O áudio-visuais
para receber e capturar dados sensoriais. Um grampeamento multi-sensorial como esse proveria uma interface de entrada
ininterrupta para sensoreamento básico de entrada e saída, mas não seria apta a fornecer informação cortical de saída como
pensamentos, emoções e sonhos. Se o processo de fixar elos ou emplastros de cabos a feixes de nervos existentes for
aperfeiçoado, isso significará que portas I/O neurais poderão ser criadas acessando entradas neurais existentes sem uso de
cirurgia, onde órgãos artificiais e periféricos sensoriais existam.
O detalhe final nas interfaces neurais embebidas é a fonte de energia, que no passado foi um problema, mas nos
dispositivos de nova-geração serão completamente orgânicas. Em vez de usar baterias, dispositivos inseridos funcionarão
com energia bioelétrica do metabolismo celular do corpo. Aleksander Noy recentemente apresentou um transistor de nanotubos
de carbono que pode gerar corrente elétrica na presença de trifosfato de adenosina (ATP), o mensageiro químico que
transporta energia metabólica pelo tecido vivo. Assumindo que essa técnica pode ser integrada em dispositivos inseridos,
então a atividade celular na interface protética poderia também gerar a corrente necessária para alimentar os componentes
eletrônicos do dispositivo inserido. Para minimizar o transtorno de ter um hardware volumoso permanentemente fixado ou
plugado no crânio, dispositivos inseridos poderiam ser otimizados pela conectividade sem-fio (wireless) usando alguma
coisa como um controlador Bluetooth preso na orelha. O uso de transistores bioelétricos que geram sua própria corrente tem
o potencial de permitir a conectividade de dispositivos sem-fio de baixa potência através do crânio sem a necessidade de
ficar trocando baterias implantadas.
Preocupações com a Tecnologia em Desenvolvimento
A capacidade de levar dados para dentro e para fora da consciência tem sido demonstrada em múltiplas aplicações com
múltiplas interfaces indo das não-invasivas de baixa fidelidade até as radicalmente invasivas de alta fidelidade. Embora
essas tecnologias pareçam com ficção científica, elas estão sendo vigorosamente exploradas por interesses acadêmicos,
médicos e comerciais, com companhias como a BrainGate procurando patentes simultaneamente de interfaces múltiplas neurais
e plataformas de software. Enquanto o objetivo primário da pesquisa em interfaces neurais é putativamente terapêutica, as
possibilidades de aplicação e preocupações éticas da conexão neural são problemas para um futuro iminente. No momento
essas são preocupações hipotéticas, mas se um procedimento para implante de neurodos com acesso único puder ser
aperfeiçoado, automatizado e executado em uma clínica local em duas horas por uns mil dólares, e coberto pelo seguro, a
tentação de uso cosmético e pessoal de tal procedimento se torna clara. Pode haver abuso com as interfaces neurais,
obviamente, e elas podem ser desviadas para escravização e tortura mentais, ou tornar intencionalmente pessoas insanas, ou
transformá-las em sonâmbulos assassinos ou consumidores sem mente. Segurança é um problema inerente de qualquer sistema
exo-cortical extensível, e deve ser tratado cedo nos estágios de engenharia e testes, ou qualquer um com uma entrada
exo-cortical estaria maduro para exploração. Discriminação sensorial é outro problema a ser cogitado em qualquer ambiente
comum, de modo que canais de seleção individual, sobreposição manual, e a capacidade de desligar a entrada do dispositivo
devem ser uma parte integrante de qualquer sistema inserido.
Título original e autor : Porting Digital Memory, James Kent
Fonte : h+ Magazine (www.hplusmagazine.com), 25/05/2010
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É um sistema completo que permite enviar mensagens de texto a partir de comandos mentais. Segundo o fabricante, uma
velocidade de 5 a 10 caracteres por minuto é alcançada já nas primeiras tentativas, e usuários conseguiram com a prática,
1 caracter por segundo. Outras aplicações de comando de dispositivos externos são possíveis.
Consiste em tentar controlar com a mente, os movimentos de uma bola (indicada pela linha vermelha) suspensa em uma coluna
de ar.
