Interface cérebro-máquina induz recuperação neurológica parcial em pacientes paraplégicos

No dia 12 de junho de 2014, o Projeto Andar de Novo, um consórcio científico internacional sem fins lucrativos, realizou uma demonstração científica inédita durante a cerimônia de abertura da Copa do Mundo de Futebol do Brasil. Nessa demonstração, um jovem brasileiro, com quase dois terços do seu corpo paralisado, desferiu o chute inaugural da Copa do Mundo, usando uma interface cérebro-máquina que permitiu que ele controlasse os movimentos de um exoesqueleto de membros inferiores, enquanto ele recebia sinais de feedback tátil dos pés desse robô.

Passados dois anos daquela demonstração pública, o Projeto Andar de Novo está publicando o seu primeiro trabalho clínico, descrevendo os achados obtidos durante os primeiros 12 meses de treinamento de oito pacientes paraplégicos crônicos, de janeiro a dezembro de 2014. Nesse estudo clínico, o time internacional de neurocientistas, engenheiros e equipe multidisciplinar de reabilitação, relata a descoberta de que o grupo de pacientes que continuou a treinar com sistemas controlados pela atividade cerebral, incluindo um exoesqueleto motorizado, foi capaz de readquirir a habilidade de mover voluntariamente alguns músculos das pernas e sentir sensações de tato, dor, propriocepção e vibração emanados dos membros paralisados. Essa recuperação parcial se deu apesar destes pacientes terem sido diagnosticados clinicamente com uma lesão medular completa, em alguns casos mais de uma década atrás. Os pacientes também recuperaram um grau importante de movimentos peristálticos intestinais e do controle do esvaziamento da bexiga e demonstraram uma melhora sensível das suas funções cardiovasculares, que num caso resultou numa redução significativa do grau inicial de hipertensão. Baseado nesses achados, esse é o primeiro estudo a relatar a ocorrência de uma recuperação neurológica parcial em pacientes portadores de lesões medulares que levaram a paraplegia completa, como resultado de um longo período (12 meses) de reabilitação baseada no uso de interfaces cérebro-máquina (ICMs).

Em face desses resultados surpreendentes, os cientistas do Projeto Andar de Novo levantam a hipótese de que o regime de treinamento de longo prazo provavelmente promoveu um processo de reorganização funcional cerebral que reativou nervos que sobreviveram a lesão medular original, mas que permaneceram dormentes desde então.

O time de pesquisadores, liderados por Miguel Nicolelis, diretor do Centro de Neuroengenharia da Universidade Duke e coordenador científico do Projeto Andar de Novo, conta que o limite da surpreendente recuperação clínica observada nos pacientes permanece desconhecido, uma vez que ela continua a evoluir desde a demonstração realizada na Copa do Mundo. Um segundo manuscrito relatará a recuperação observada de dezembro de 2014 até junho de 2016. Todavia, Nicolelis acredita que a descoberta descrita nesse primeiro estudo poderá no futuro mudar práticas na área de reabilitação voltadas a pacientes paraplégicos, ao promover as interfaces cérebro-máquina, de uma tecnologia assistiva, para uma potencial nova terapia de reabilitação de lesões da medula espinhal.

Nicolelis, que também é o Presidente da Associação Alberto Santos Dumont para Apoio à Pesquisa, a entidade brasileira sem fins lucrativos que coordenou o estudo clínico do Projeto Andar de Novo, e outros pesquisadores de universidades nos Estados Unidos e Europa, publicaram os seus achados na edição de 11 de agosto do jornal Scientific Reports.

"Quando o nosso laboratório da Universidade Duke, trabalhando em colaboração com o laboratório de John Chapin na Filadélfia, criou o paradigma moderno das interfaces cérebro-máquina no final dos anos 1990, a nossa expectativa era que, no máximo, essas interfaces permitiriam que pacientes severamente paralisados pudessem readquirir mobilidade por meios artificiais - usando membros prostéticos ou exoesqueletos controlados diretamente pela atividade dos seus cérebros", disse Nicolelis.

"Inicialmente, nós não esperávamos observar qualquer grau de melhora neurológica, qualquer recuperação de funções motora, sensorial ou visceral, perdidas como resultado de uma lesão medular, nos oito pacientes selecionados para participar do Projeto Andar de Novo".

A surpresa com os resultados obtidos se justifica. Até hoje, nenhum estudo clínico que utilizou ICMs em pacientes portadores de lesões severas da medula espinhal relatou qualquer tipo de melhora neurológica nos seus pacientes. Nicolelis acredita que isso se deu porque a grande maioria dos estudos anteriores foi realizado em um período muito curto, envolvendo apenas um pequeno grupo de pacientes. Além disso, em nenhum desses estudos anteriores se realizou uma análise detalhada da evolução neurológica dos pacientes. Sem essa análise é impossível detectar qualquer melhora clínica.

No trabalho publicado em Scientific Reports, os pesquisadores treinaram oito pacientes paraplégicos durante um período de um ano usando o que ficou conhecido como o Protocolo de Neuroreabilitação Andar de Novo. Esses pacientes tinham ficado paralisados, como resultado de uma lesão medular, 3-13 anos antes do início do treinamento. Sete desses pacientes haviam sido classificados clinicamente como tendo uma lesão medular completa, de acordo com a American Spinal Injury Association (ASIA) Impairment Scale, enquanto um paciente tinha sido classificado como tendo uma lesão incompleta. Nenhum dos pacientes apresentou qualquer sinal de melhora clínica com métodos tradicionais de reabilitação antes de serem recrutados para participar no Projeto Andar de Novo. Nenhum dos oito pacientes apresentava presença de movimentos voluntários abaixo do nível da sua lesão medular no início do treinamento.

A interface cérebro-máquina usada nesse estudo utilizou múltiplos eletrodos para registro eletroencefalográficos - um método não invasivo de registrar atividade elétrica cerebral - embutidos numa espécie de touca, aplicada no couro cabeludo dos pacientes, imediatamente acima das áreas cerebrais do lobo frontal envolvidas no controle motor. O protocolo de treinamento do Projeto Andar de Novo continha múltiplos componentes. No componente da realidade virtual, os pacientes usaram óculos de realidade virtual para tentar controlar o caminhar de um avatar tridimensional, imaginando movimentos do próprio corpo. Todos os pacientes aprenderam a usar somente a atividade elétrica de seus cérebros, registrada pelo EEG, para mover o corpo virtual que representava um jogador de futebol caminhando no gramado de um estádio de futebol. Durante essa tarefa, os pacientes também receberam um fluxo continuo de feedback tátil, descrevendo o momento em que os pés do "jogador de futebol virtual" tocavam o gramado do estádio. Esse feedback tátil foi entregue aos pacientes através de pequenos elementos vibratórios costurados nas mangas compridas da camiseta que os pacientes usavam em todos os experimentos. Com esse aparato, foi possível entregar os sinais táteis, descrevendo o contato dos pés do avatar com o solo, na superfície da pele dos antebraços dos pacientes. Esse "visor háptico" foi apelidado pelo time com o nome de "camiseta tátil".

No segundo componente de treinamento, os pacientes utilizaram um andador robótico comercial (Lokomat), colocado em cima de uma esteira de exercício, para realizar movimentos que simulam o caminhar. Para tanto, os pacientes eram colocados na posição ereta e mantidos nessa posição por um sistema de proteção que conferia segurança total a eles. Nessa fase do treinamento, os pacientes também usaram os sinais do seu EEG para iniciar os movimentos de marcha gerados pelo andador robótico.

Simultaneamente, eles receberam os mesmos sinais de feedback tátil gerados por sensores de pressão, aplicados nas pernas e pés do andador robótico, que eram entregues ao paciente usando a mesma "camiseta tátil" descrita acima.

Num terceiro componente, os mesmos pacientes - ainda usando o mesmo sistema de registro de EEG e a camiseta tátil - operaram um exoesqueleto robótico de membros inferiores, desenvolvidos pela equipe de roboticistas que participam do consórcio internacional do Projeto Andar de Novo. Esse é o mesmo exoesqueleto que foi usado na demonstração realizada na abertura da Copa do Mundo de 2014.

A combinação de sinais de feedback visual e tátil foi fundamental no processo de treinamento dos pacientes, segundo Nicolelis. "A adição do feedback tátil, de forma sincronizada com o feedback visual, criou uma ilusão extremamente realística de 'caminhar autonomamente' para todos os pacientes quando eles controlavam os movimentos do jogador virtual e do exoesqueleto". Ao longo do período de treinamento de 12 meses, os pesquisadores registraram mudanças nos padrões de EEG, possíveis contrações musculares, movimentos voluntários dos membros inferiores e a magnitude e o tipo de sensibilidade (dolorosa, tátil, vibratória, proprioceptiva) experimentados pelos pacientes abaixo do nível de suas lesões medulares. Como resultado dessas medidas, os cientistas observaram que todos os pacientes exibiram sinais de uma recuperação parcial do controle voluntário de funções musculares observadas abaixo do nível de suas lesões medulares. Todos os pacientes também exibiram um progresso significativo na capacidade de percepção sensorial. No início do projeto, 7 dos pacientes (com lesão completa) não tinham nenhuma sensação abaixo do nível da lesão. Ao final dos 12 meses de treinamento, os oito pacientes recuperaram, em média, sensibilidade em 5 dermatomos - ou segmentos de pele inervados por raízes de um segmento da medula espinhal - abaixo do nível da lesão medular. Como resultado dessa melhora neurológica, alguns desses pacientes recuperaram a habilidade de produzir movimentos voluntários de suas pernas, envolvendo múltiplas articulações, algo que eles não haviam podido realizar desde a ocorrência das suas lesões medulares.

Como resultado global desses 12 meses de treinamento, quatro dos oito pacientes tiveram sua condição clínica reclassificada de um estado de paraplegia completa (ASIA A ou B) para uma classificação de paraplegia incompleta (ASIA C) na escala ASIA. Os pesquisadores também observaram que a melhora em função intestinal estava correlacionada linearmente com o número de horas que os pacientes caminharam de forma ereta, com auxílio dos procedimentos do protocolo de treinamento.

Nicolelis acrescentou que os pesquisadores também observaram mudanças importantes nos padrões de EEG dos pacientes ao longo do treinamento: "Nós encontramos claros sinais da ocorrência de plasticidade funcional no córtex somestésico e motor à medida que os pacientes aprenderam a usar os equipamentos controlados pela interface cérebro-máquina e progrediram no seu treinamento. A nossa interpretação dessas modificações corticais é que elas indicam a reincorporação dos membros inferiores e do conceito de andar na representação do corpo que existe dentro do cérebro de cada um dos pacientes. Uma vez que os pacientes ficaram paraplégicos muitos anos atrás, o cérebro de cada um deles havia reduzido significativamente a área dessa representação dedicada aos membros inferiores. Ao nível da medula espinhal, a combinação dessa reorganização cerebral e o exercício muscular produzido pelo treinamento podem ter induzido também a geração de novas conexões".

"A nossa hipótese é que o nosso protocolo de treinamento gerou a combinação de plasticidade cortical e espinhal devido ao uso crônico da interface cérebro-máquina e a sua associação com o ambiente de realidade virtual, movimentos reais dos membros inferiores e o feedback tátil", completou Nicolelis. "Quando pacientes estão movimentando suas pernas e andando de forma ereta, esses movimentos geram atividade nos proprioceptores que existem nos músculos, tendões e articulações. Esses proprioceptores mandam essa atividade de volta para a medula espinhal, contribuindo para o processo de plasticidade a nível medular".

"Nós esperamos levar esse protocolo de reabilitação para outros centros de tratamento de pacientes medulares ao redor do mundo para tentar replicar os nossos resultados", disse Nicolelis. "Atualmente, uma vez que pacientes que sofreram uma lesão medular recebem o diagnóstico de paralisia completa, o processo de reabilitação consiste principalmente em adaptá-los a vida numa cadeira de rodas. Nós acreditamos que os nossos resultados com o treinamento contínuo e a longo prazo com interfaces cérebro-máquina podem ajudar não só a recuperação parcial dos nossos pacientes, mas também servir como um importante fator de motivação para pacientes com lesões medulares em todo o mundo".

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Além de Nicolelis os outros co-autores do trabalho da Scientific Reports são: Ana Donati, Solaiman Shokur, Edgard Morya, Débora Campos, Renan Moioli, Claudia Gitti, Patricia Augusto, Sandra Tripodi, Cristhiane Pires, Gislaine Pereira, Fabrício Brasil, Simone Gallo, Anthony Lin, Angelo Takigami, Maria Aratanha, Sanjay Joshi, Hannes Bleuler, Gordo Cheng e Alan Rudolph. Todo o trabalho clínico foi realizado no Laboratório de Neuroreabilitação da Associação Alberto Santos Dumont para Apoio à Pesquisa (AASDAP) em São Paulo, Brasil. Os autores estão associados com a AASDAP, com a Associação de Assistência à Criança Deficiente (AACD), o Instituto de Ensino e Pesquisa Alberto Santos Dumont, a Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, a Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, e Universidade da Califórnia Davis e Universidade Duke, nos Estados Unidos. Esse estudo foi parte do Projeto Andar de Novo, financiado pela Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), pelo Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações e pelo Itaú Unibanco. O Projeto Andar de Novo também recebeu apoio do Programa Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia (InCemaq), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq/MCTIC.

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