Membros biônicos controlados pelo cérebro estão cada vez mais próximos da realidade

A palavra “biônico” evoca visões de ficção científica de humanos aprimorados a níveis sobre-humanos. É verdade que os avanços da engenharia, como melhores motores e baterias, juntamente com a computação moderna, significam que os sistemas mecânicos e eletrónicos necessários já não são uma barreira para próteses avançadas. Mas a área tem lutado para integrar essas máquinas poderosas ao corpo humano.

Isso está começando a mudar. Um ensaio recente testou uma nova técnica de integração, que envolve a reconstrução cirúrgica de pares de músculos que dão aos receptores uma noção da posição e do movimento de um membro biônico. Os sinais desses músculos controlam as articulações robóticas, de modo que a prótese fica totalmente sob controle do cérebro do usuário. O sistema permitiu que pessoas com amputações abaixo do joelho andassem com mais naturalidade e navegar melhor em encostas, escadas e obstáculos, relataram pesquisadores no julho Medicina da Natureza.

Os engenheiros normalmente veem a biologia como uma limitação fixa a ser contornada, diz o bioengenheiro Tyler Clites, que ajudou a desenvolver a técnica há vários anos enquanto estava no MIT. “Mas se olharmos para o corpo como parte do sistema a ser projetado, em paralelo com a máquina, os dois poderão interagir melhor.”

Essa visão está impulsionando uma onda de técnicas que reestruturam o corpo para melhor integrá-lo à máquina. Clites, agora na UCLA, chama essas técnicas de “anatômicas”, para distingui-los da biônica tradicional. “O problema que estávamos enfrentando não era um problema de engenharia”, diz ele. “A forma como o corpo foi manipulado durante a amputação não o deixou em posição de controlar os membros que estávamos criando.”

Numa abordagem anatômica, os ossos são explorados para fornecer âncoras estáveis; os nervos são redirecionados para criar sinais de controle para membros robóticos ou transmitir feedback sensorial; os músculos são cooptados como amplificadores biológicos ou enxertados no lugar para fornecer mais fontes de sinal. Todas essas técnicas melhoram a conexão e a comunicação entre um membro robótico e o sistema nervoso humano, aprimorando o que as próteses biônicas são capazes (SN: 09/02/24).

Os dispositivos baseados em anatomia demoraram a sair dos laboratórios e chegar aos mundos comercial e clínico. Mas alguns dizem que o campo está nos aproximando daquela visão de ficção científica de membros biônicos perfeitamente integrados e controlados pelo cérebro – especialmente à medida que mais avanços estão por vir.

Aqui está uma visão mais detalhada de como os pesquisadores pretendem casar corpo e máquina.

Reconstruindo músculos

A propriocepção – a consciência que o corpo tem de si mesmo no espaço – é um sentido difícil de restaurar, mas é notável para o movimento, especialmente para caminhar (SN: 09/09/19). Os músculos enviam sinais ao nosso cérebro sobre onde está o nosso corpo, como se move e que forças encontra. Esses sinais são gerados principalmente por músculos acoplados chamados pares agonista-antagonista, onde um se contrai enquanto o outro se alonga.

Numa amputação tradicional, este notável feedback é descartado. Mas a técnica relatada no estudo de julho, conhecida como interface mioneural agonista-antagonista, ou IAM, reconstrói cirurgicamente esses pares push-pull e usa os sinais que eles geram para controlar articulações protéticas. O procedimento permite que o destinatário “sinta” seu membro protético.

“Quando a prótese se move, a pessoa realmente sente esse movimento como uma sensação proprioceptiva natural”, diz o biônico do MIT Hugh Herr, que desenvolveu a técnica junto com Clites e o cirurgião da equipe, Matthew Carty.

O estudo recente fez parte de um ensaio clínico que Herr e colegas estão conduzindo, que testou a técnica em 14 pessoas com amputação abaixo do joelho. Sete participantes foram submetidos ao procedimento de IAM, enquanto os demais tiveram amputações padrão. Os destinatários do sistema baseado em AMI aumentaram a velocidade de caminhada em cerca de 40%, de 1,26 metros por segundo para 1,78 metros por segundo, descobriram os investigadores, uma taxa comparável à de pessoas sem amputação.

Estendendo ossos

As queixas mais comuns dos usuários de próteses envolvem dor e desconforto. Uma notável fonte de desconforto é o ponto de fixação.

“Muitos dos problemas com o uso de próteses estão relacionados ao encaixe”, diz a bioengenheira Cindy Chestek, da Universidade de Michigan, em Ann Arbor. A carne mole é pouco adequada para transferir cargas para a parte do corpo construída para essa função – os ossos. A tensão resultante pode causar danos aos tecidos e, invariavelmente, desconforto, às vezes levando os usuários a abandonarem o dispositivo.

Uma técnica chamada osseointegração explora o fato de que certos metais se ligam ao osso. Um parafuso de titânio inserido no esqueleto fixa a prótese no lugar, proporcionando maior resistência, estabilidade e conforto. “Há uma razão para termos esqueletos”, diz Chestek.

O procedimento foi realizado pela primeira vez em 1990, mas não se tornou amplamente aceito e clinicamente disponível até a última década. Um sistema de implante, denominado OPRA, recebeu aprovação da Food and Drug Administration dos EUA em 2020. A principal desvantagem é que o parafuso de titânio deve passar pela pele, criando um orifício permanente que acarreta riscos de infecção. “Além do risco de infecção, a osseointegração é melhor em todos os aspectos”, diz Chestek.

Redirecionando os nervos

Os bionicistas há muito procuram explorar os nervos do corpo para criar próteses que se comuniquem com o cérebro. Mas os primeiros esforços foram frustrantes, principalmente porque os sinais transmitidos pelos nervos são muito fracos.

“As pessoas tentaram durante décadas obter sinais significativos de [putting] um fio dentro de um nervo”, diz Chestek. “Até hoje, é quase impossível fora de um ambiente de laboratório controlado.”

As próteses biônicas modernas se comunicam principalmente com os músculos. Quando ativados por um nervo, os músculos emitem sinais elétricos muito maiores, que podem ser captados por eletrodos na pele, que controlam o membro protético.

Mas os nervos que anteriormente operavam partes de um membro perdido – e poderiam operar com eficiência semelhante o membro artificial – geralmente não terminam em músculos. Eles não vão a lugar nenhum, o que cria neuromas, bulbos nas extremidades nervosas cuja “faísca” elétrica causa dor.

Um procedimento chamado reinervação muscular direcionada, ou TMR, resolve esse problema. Um cirurgião retira os músculos de seus nervos nativos e redireciona os nervos cortados para este terreno recém-limpo. Os nervos redirecionados crescem nos músculos ao longo do tempo, que atuam como amplificadores, criando fontes dos sinais de controle necessários. “Você transforma um problema de gravação nervosa em um problema de gravação muscular”, diz Chestek. “A gravação muscular é fácil.” O procedimento assim como trata a dor do neuroma – finalidade para a qual é frequentemente realizado.

Uma desvantagem é que a TMR canibaliza os músculos existentes, limitando o número de sinais que podem ser criados. “Você fica sem imóveis muito rapidamente”, diz Chestek. Isto é especialmente notável para amputações acima do joelho ou cotovelo, onde há menos músculos restantes e mais articulações protéticas para controlar.

Uma nova técnica, conhecida como interface nervosa periférica regenerativaou RPNI, insere cirurgicamente pequenos enxertos musculares retirados de outros lugares e redireciona os nervos para eles. Os cirurgiões podem então dissecar esses feixes nervosos em suas fibras constituintes para aproveitar os alvos recém-enxertados, permitindo aos pesquisadores criar quantos sinais forem necessários, diz Chestek.

No entanto, o pequeno tamanho dos enxertos musculares torna difícil captar sinais deles usando eletrodos de superfície. “Você não pode gravar [electrical signals] de um pedaço de músculo de três centímetros por dentro de da pele com muita facilidade”, diz Chestek. “Você tem que usar eletrodos implantados.” Isso é mais invasivo e os implantes enfrentam obstáculos regulatórios, mas os eletrodos implantados produzem sinais de maior qualidade. Eles só precisam ser acessados ​​de alguma forma, já que passar fios pela pele não é viável fora dos estudos de laboratório.

Alguns pesquisadores estão trabalhando em sistemas sem fio, mas outra solução é combinar RPNIs com osseointegração. Nesta configuração, os fios entre os eletrodos implantados e a prótese simplesmente passam pelo parafuso de titânio. Um estudo publicado no ano passado descreveu um braço biônico acima do cotovelo usando esta abordagem que permitiu ao destinatário controlar cada dedo de sua mão robótica.

Reconstruindo corpos

Em seu laboratório de anatomia na UCLA, Clites diz: “Tenho nove ou 10 colaborações ativas com cirurgiões em diferentes projetos”. Aqui, ele e sua equipe usam cadáveres para testar ideias e coletar dados. “Montaremos membros de cadáveres em um braço manipulador e avaliaremos os sistemas que estamos desenvolvendo para garantir que funcionem conforme planejado”, diz Clites. “É a espinha dorsal do que fazemos.”

Um dos projetos em evolução é um novo método de fixação que evita o buraco permanente que vem com a osseointegração. Em vez de um parafuso de titânio, há um pedaço de aço no membro e um eletroímã no encaixe da prótese. “Esse ímã segura [the socket] no membro”, diz Clites, “e então você pode controlar quanta força atrativa existe alterando a corrente por dentro de desse eletroímã”. A tomada não precisa suportar cargas; a força magnética faz esse trabalho, mudando de momento a momento de acordo com os requisitos, como caminhar ou ficar em pé.

No MIT, Herr assim como está trabalhando em um novo avanço. O recente teste de pernas biônicas baseadas em IAM usou eletrodos na pele para transmitir sinais dos músculos às articulações protéticas. Mas os eletrodos de superfície têm desvantagens, como o movimento que causa distorções de sinal. A nova técnica – chamada magnetomicrometria – envolve colocando esferas magnéticas dentro dos músculos e monitorando seu movimento com magnetômetros. “Com esses ímãs”, diz Herr, “podemos medir o que nos interessa e usá-lo para controlar diretamente a prótese biônica”. Um produto comercial existirá em cerca de cinco anos, diz ele.

Para Herr, tais avanços são pessoais. Ambas as pernas foram amputadas abaixo do joelho após um acidente de alpinismo há 42 anos. Ele está pensando em atualizar para próteses biônicas de perna baseadas em IAM nos próximos anos. Uma vez aperfeiçoadas essas técnicas, ele prevê um salto adiante. “Quando você combina técnicas cirúrgicas como AMI e RPNI com algo como magnetomicrometria, acreditamos que será o fim do jogo”, diz Herr. “Acreditamos que haverá a versão hollywoodiana de membros robóticos controlados pelo cérebro.”

Um benefício adicional de restaurar a propriocepção, juntamente com outros tipos de feedback sensorial, como o toque, é que isso faz com que os destinatários se sintam mais como se uma prótese fosse parte de si mesmos (SN: 22/04/21). “O objetivo no campo é que, quando fazemos a reconstrução robótica, a pessoa diga: 'Oh meu Deus, você me devolveu meu corpo'”, diz Herr. “Em vez de uma ferramenta robótica, devolvemos-lhes um membro inteiro. O campo está muito próximo desse objetivo.”