Próteses que se conectam ao sistema nervoso estão disponíveis há vários anos. Agora, pesquisadores da ETH Zurique encontraram evidências de que as neuropróteses funcionam melhor quando usam sinais inspirados na natureza.
Há alguns anos, uma equipe de pesquisadores que trabalhou com a professora Stanisa Raspopovic no Laboratório de Neuroengenharia da ETH Zurique ganhou atenção mundial quando anunciou que suas pernas protéticas permitiram que amputados sentissem sensações desta parte artificial do corpo pela primeira vez.
Ao contrário das próteses de perna comerciais, que simplesmente fornecem estabilidade e suporte aos amputados, o dispositivo protético dos pesquisadores da ETH foi conectado ao nervo ciático na coxa dos sujeitos do teste por meio de eletrodos implantados.
Essa conexão elétrica permitiu que a neuroprótese se comunicasse com o cérebro do paciente, por exemplo, transmitindo informações sobre as constantes mudanças de pressão detectadas na sola do pé protético ao caminhar.
Isto deu aos sujeitos do teste maior confiança nas suas próteses – e permitiu-lhes caminhar consideravelmente mais rápido em terrenos desafiadores.
“Nossa prótese experimental de perna conseguiu evocar sensações naturais. Isso é algo que as neuropróteses atuais são incapazes de fazer; em vez disso, evocam principalmente sensações artificiais e desagradáveis”, diz Raspopovic.
Isto provavelmente ocorre porque as neuroprotéticas atuais usam pulsos elétricos constantes no tempo para estimular o sistema nervoso.
“Isso não é apenas antinatural, mas também ineficiente”, diz Raspopovic. Num artigo publicado recentemente, ele e a sua equipa usaram o exemplo das suas próteses de perna para destacar os benefícios da utilização de estimulação biomimética de inspiração natural para desenvolver a próxima geração de neuropróteses.
Modelo simula ativação de nervos na sola
Para gerar esses sinais biomiméticos, Natalija Katic – estudante de doutorado no grupo de pesquisa de Raspopovic – desenvolveu um modelo computacional chamado FootSim.
Baseia-se em dados coletados por colaboradores no Canadá, que registraram a atividade de receptores naturais, chamados mecanorreceptores, na sola do pé ao tocarem diferentes pontos dos pés de voluntários com uma haste vibratória.
O modelo simula o comportamento dinâmico de um grande número de mecanorreceptores na sola do pé e gera os sinais neurais que disparam os nervos da perna em direção ao cérebro – a partir do momento em que o calcanhar atinge o solo e o peso do corpo começa a diminuir. mova-se para a frente, para a parte externa do pé, até que os dedos saiam do chão, prontos para o próximo passo.
“Graças a este modelo, podemos ver como os receptores semsoriais da planta do pé e os nervos conectados se comportam durante a caminhada ou corrida, o que é experimentalmente impossível de medir”, diz Katic.
Sobrecarga de informação na medula espinhal
Para avaliar até que ponto os sinais biomiméticos calculados pelo modelo correspondem aos sinais emitidos por neurônios reais, Giacomo Valle – pós-doutorado no grupo de pesquisa de Raspopovic – trabalhou com colegas na Alemanha, Sérvia e Rússia em experimentos com gatos, cujo sistema nervoso processa o movimento em uma maneira semelhante à dos humanos.
Os experimentos ocorreram em 2019 no Instituto Pavlov de Fisiologia em São Petersburgo e foram realizados de acordo com as diretrizes relevantes da União Europeia.
Os pesquisadores implantaram eletrodos, conectando alguns ao nervo da perna e outros à medula espinhal para descobrir como os sinais são transmitidos através do sistema nervoso.
Quando os pesquisadores aplicaram pressão na parte inferior da pata do gato, evocando assim a resposta neural natural que ocorre quando um gato dá um passo, o padrão peculiar de atividade registrado na medula espinhal realmente se assemelhava aos padrões que foram provocados na medula espinhal. quando os pesquisadores estimularam o nervo da perna com sinais biomiméticos.
Por outro lado, a abordagem convencional de estimulação constante do nervo ciático na coxa do gato provocou um padrão de ativação marcadamente diferente na medula espinhal.
“Isso mostra claramente que os métodos de estimulação comumente usados fazem com que as redes neurais da coluna sejam inundadas de informações”, diz Valle.
“Essa sobrecarga de informações pode ser a razão das sensações desagradáveis ou parestesias relatadas por alguns usuários de neuropróteses”, acrescenta Raspopovic.
Aprendendo a linguagem do sistema nervoso
No seu ensaio clínico com amputados de pernas, os investigadores conseguiram demonstrar que a estimulação biomimética é superior à estimulação constante no tempo.
O seu trabalho demonstrou claramente como os sinais que imitavam a natureza produziram melhores resultados: não só os sujeitos do teste foram capazes de subir degraus mais rapidamente, como também cometeram menos erros numa tarefa que exigia que subissem os mesmos degraus enquanto soletravam palavras ao contrário.
“A neuroestimulação biomimética permite que os indivíduos se concentrem em outras coisas enquanto caminham”, diz Raspopovic, “então concluímos que esse tipo de estimulação é processado de forma mais natural e menos desgastante para o cérebro”.
Raspopovic, cujo laboratório faz parte do Instituto ETH de Robótica e Sistemas Inteligentes, acredita que estas novas descobertas não são relevantes apenas para as próteses de membros nas quais ele e a sua equipa trabalham há mais de meia década.
Ele argumenta que a necessidade de se afastar da estimulação não natural e constante no tempo em direção aos sinais biomiméticos também se aplica a toda uma série de outros auxílios e dispositivos, incluindo implantes espinhais e eletrodos para estimulação cerebral.
“Precisamos aprender a linguagem do sistema nervoso”, diz Raspopovic. “Então seremos capazes de nos comunicar com o cérebro de uma forma que ele realmente entende.”
Referência: Valle G, Katic Secerovic N, Eggemann D, Gorskii O, Pavlova N, Petrini FM, Cvancara P, Stieglitz T, Musienko P, Bumbasirevic M, Raspopovic S: Comunicação biomimética computador-cérebro melhorando sensações de toque naturalistas através do nervo periférico estimulação. Nature Communications, 20 de fevereiro de 2024, doi: 10.1038/s41467-024-45190-6
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