Desenvolvida uma super prótese controlada pela mente e ultra-precisa!

Em um grande avanço em termos de prótese controlada pela mente para amputados, os pesquisadores da Universidade de Michigan, EUA, captaram sinais fracos e latentes dos nervos dos braços e os amplificaram para permitir o controle intuitivo e em tempo real de uma mão robótica em nível de dedo.

Para conseguir isso, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de domar terminações nervosas temperamentais, separar feixes de nervos espessos em fibras menores que permitem um controle mais preciso e amplificar os sinais que atravessam esses nervos. A abordagem envolve pequenos enxertos musculares e algoritmos de aprendizado de máquina emprestados do campo da interface cérebro-máquina.

“Este é o maior avanço no controle motor de pessoas com amputações em muitos anos. Nós desenvolvemos uma técnica para fornecer controle individual dos dispositivos protéticos com os dedos, usando os nervos no membro residual do paciente. Com isso, conseguimos fornecer alguns dos controles protéticos mais avançados que o mundo já viu”, disse Paul Cederna, que é o professor de cirurgia plástica na Faculdade de Medicina da Universidade Michigan (UM), além de professor de engenharia biomédica.

Cederna co-lidera a pesquisa com Cindy Chestek, professora associada de engenharia biomédica na UM College of Engineering. Eles descrevem os resultados com quatro participantes do estudo usando o braço chamado “Mobius Bionics LUKE”.

Uma super prótese controlada pela mente

“Você pode fazer uma mão protética fazer muitas coisas, mas isso não significa que a pessoa a esteja controlando intuitivamente. A diferença é quando ela funciona na primeira tentativa, apenas pensando nisso, e é isso que nossa abordagem oferece. Isso funcionou da primeira vez que tentamos. Não há aprendizado para os participantes. Todo o aprendizado acontece em nossos algoritmos. Isso é diferente de outras abordagens”, disse Chestek.

Embora os participantes do estudo ainda não tenham permissão de levar o braço para casa, no laboratório, eles conseguiram pegar blocos com uma pinça; mover o polegar em um movimento contínuo; levantar objetos com formato esférico; e até jogar em uma versão de pedra, papel e tesoura chamada pedra, papel e alicate.

“É como se você tivesse uma mão novamente. Você pode fazer praticamente qualquer coisa que puder com uma mão real com essa, com um senso de normalidade incrível”, disse Joe Hamilton, participante do estudo, que perdeu o braço em um acidente com fogos de artifício em 2013.

Um dos maiores obstáculos em uma prótese controlada pela mente é captar um sinal nervoso forte e estável para alimentar o membro biônico. Alguns grupos de pesquisa – aqueles que trabalham no campo da interface cérebro-máquina – vão até a fonte primária, o cérebro. Isso é necessário ao trabalhar com pessoas que estão paralisadas. Mas é invasivo e de alto risco.

Para pessoas com amputações, os nervos periféricos – a rede que sai do cérebro e da medula espinhal – têm sido interessantes, mas ainda não haviam levado a uma solução a longo prazo por duas razões: os sinais nervosos que carregam são pequenos, e outras abordagens para captar esses sinais envolviam sondas que espionavam pela força. Essas “unhas nos nervos”, como os pesquisadores às vezes se referem a elas, levam ao tecido cicatricial, que atrapalha o sinal já fraco ao longo do tempo.

A equipe da UM criou uma maneira melhor. Eles envolveram pequenos enxertos musculares em torno das terminações nervosas nos braços dos participantes. Essas “interfaces nervosas periféricas regenerativas”, ou RPNIs,  sigla em inglês, oferecem aos nervos cortados novos tecidos nos quais se agarrar. Isso impede o crescimento de massas nervosas chamadas neuromas que levam à dor fantasma nos membros, e isso dá aos nervos uma espécie de megafone. Os enxertos musculares amplificam os sinais nervosos. Dois pacientes tiveram eletrodos implantados em seus enxertos musculares, e os eletrodos foram capazes de registrar esses sinais nervosos e passá-los para uma mão protética em tempo real.

“Pelo que sei, vimos a maior tensão registrada em um nervo em comparação com todos os resultados anteriores. Nas abordagens anteriores, você pode obter 5 microvolts ou 50 microvolts – sinais muito pequenos. Mas neste estudo vimos os primeiros sinais de milivolts. Portanto, agora podemos acessar os sinais associados ao movimento individual do polegar, movimento múltiplo de liberdade do polegar, dedos individuais. Isso abre um mundo totalmente novo para pessoas que são usuários de próteses de membros superiores”, disse Chestek.

E sua interface já durou anos. Outros se degradam dentro de meses devido ao tecido cicatricial.

O futuro da pesquisa e da indústria de próteses

As descobertas também abrem novas possibilidades para o campo, disse Chestek, com grande experiência em algoritmos de aprendizado de máquina em tempo real, capazes de traduzir sinais neurais em intenção de movimento.

O procedimento consiste em fazer um corte limpo no final de um nervo, suturando-o em um pequeno enxerto muscular, envolvendo o enxerto ao redor do nervo e costurando-o. A abordagem gera sinais para movimentos mais refinados do que o que as mãos protéticas de hoje são capazes.

Acima a Prótese em funcionamento. Crédito do vídeo: Philip P. Vu. Science Translational Medicine (2020), Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Michigan.

“Outros grupos de pesquisa também contribuíram para isso, mas aumentamos as capacidades das mãos protéticas atualmente disponíveis. Acho que essa é uma forte motivação para desenvolvimentos adicionais das empresas de próteses manuais”, disse Philip Vu, pesquisador da engenharia biomédica e primeiro autor do estudo.

Um estudo clínico está em andamento. A equipe está procurando participantes.

“Muitas vezes, as coisas que fazemos em um laboratório de pesquisa aumentam o conhecimento no campo, mas você nunca tem a chance de ver como isso afeta uma pessoa. Quando você pode sentar e assistir uma pessoa com um dispositivo protético fazer algo impensável há 10 anos, é muito gratificante. Estou tão feliz por nossos participantes e ainda mais por todas as pessoas no futuro que isso Socorro”, disse Cederna.

Já Chestek acrescentou: “Não vamos parar de trabalhar nisso até que possamos restaurar completamente os movimentos das mãos com capacidade física. Esse é o sonho da neuroprótese”.

 

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Artigo completo com todos os detalhes e funcionamento da prótese controlada pela mente foi publicado na conceituada revista Science Translational Medicine.

* “A regenerative peripheral nerve interface allows real-time control of an artificial hand in upper limb amputees” – 2020.

Autores do estudo: Philip P. Vu, Alex K. Vaskov, Zachary T. Irwin, Phillip T. Henning, Daniel R. Lueders, Ann T. Laidlaw, Alicia J. Davis, Chrono S. Nu, Deanna H. Gates, R. Brent Gillespie, Stephen W. P. Kemp, Theodore A. Kung, Cynthia A. Chestek, Paul S. Cederna – 10.1126/scitranslmed.aay2857