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Uma nova interface cérebro-computador (BCI) desenvolvida na UC Davis Health traduz sinais cerebrais em fala com até 97% de precisão — o sistema mais preciso desse tipo.
Os pesquisadores implantaram sensores no cérebro de um homem com fala gravemente prejudicada devido à esclerose lateral amiotrófica (ELA). O homem conseguiu comunicar sua fala pretendida em minutos após ativar o sistema.
Um estudo sobre este trabalho foi publicado hoje no New England Journal of Medicine.
ALS, também conhecida como doença de Lou Gehrig, afeta as células nervosas que controlam o movimento por todo o corpo. A doença leva a uma perda gradual da capacidade de ficar de pé, andar e usar as mãos. Também pode fazer com que a pessoa perca o controle dos músculos usados para falar, levando à perda da fala compreensível.
A nova tecnologia está sendo desenvolvida para restaurar a comunicação de pessoas que não conseguem falar devido a paralisia ou condições neurológicas como ELA. Ela pode interpretar sinais cerebrais quando o usuário tenta falar e transformá-los em texto que é “falado” em voz alta pelo computador.
“Nossa tecnologia BCI ajudou um homem com paralisia a se comunicar com amigos, familiares e cuidadores”, disse o neurocirurgião da UC Davis, David Brandman. “Nosso artigo demonstra a neuroprótese de fala (dispositivo) mais precisa já relatada.”
Brandman é o co-pesquisador principal e co-autor sênior deste estudo. Ele é professor assistente no Departamento de Cirurgia Neurológica da UC Davis e codiretor do Laboratório de Neuroprosthetics da UC Davis.
O novo BCI quebra a barreira da comunicação
Quando alguém tenta falar, o novo dispositivo BCI transforma sua atividade cerebral em texto na tela do computador. O computador pode então ler o texto em voz alta.
Para desenvolver o sistema, a equipe inscreveu Casey Harrell, um homem de 45 anos com ELA, no ensaio clínico BrainGate. Na época de sua inscrição, Harrell tinha fraqueza nos braços e pernas (tetraparesia). Sua fala era muito difícil de entender (disartria) e exigia que outros ajudassem a interpretar para ele.
Em julho de 2023, Brandman implantou o dispositivo BCI investigacional. Ele colocou quatro conjuntos de microeletrodos no giro pré-central esquerdo, uma região do cérebro responsável pela coordenação da fala. Os conjuntos são projetados para registrar a atividade cerebral de 256 eletrodos corticais.
“Estamos realmente detectando a tentativa deles de mover os músculos e falar”, explicou o neurocientista Sergey Stavisky. Stavisky é professor assistente no Departamento de Cirurgia Neurológica. Ele é o codiretor do Laboratório de Neuropróteses da UC Davis e coinvestigador principal do estudo. “Estamos gravando da parte do cérebro que está tentando enviar esses comandos para os músculos. E estamos basicamente ouvindo isso, e estamos traduzindo esses padrões de atividade cerebral em um fonema — como uma sílaba ou a unidade de fala — e então as palavras que eles estão tentando dizer.”
Treinamento mais rápido, melhores resultados
Apesar dos avanços recentes na tecnologia BCI, os esforços para habilitar a comunicação têm sido lentos e propensos a erros. Isso ocorre porque os programas de aprendizado de máquina que interpretavam os sinais cerebrais exigiam uma grande quantidade de tempo e dados para serem executados.
“Os sistemas BCI de fala anteriores tinham erros frequentes de palavras. Isso dificultava que o usuário fosse compreendido consistentemente e era uma barreira à comunicação”, explicou Brandman. “Nosso objetivo era desenvolver um sistema que capacitasse alguém a ser compreendido sempre que quisesse falar.”
Harrell usou o sistema em configurações de conversação tanto espontâneas quanto solicitadas. Em ambos os casos, a decodificação da fala aconteceu em tempo real, com atualizações contínuas do sistema para mantê-lo funcionando com precisão.
As palavras decodificadas foram mostradas em uma tela. Surpreendentemente, elas foram lidas em voz alta em uma voz que soava como a de Harrell antes de ele ter ELA. A voz foi composta usando software treinado com amostras de áudio existentes de sua voz pré-ELA.
Na primeira sessão de treinamento de dados de fala, o sistema levou 30 minutos para atingir 99,6% de precisão de palavras com um vocabulário de 50 palavras.
“A primeira vez que tentamos o sistema, ele chorou de alegria quando as palavras que ele estava tentando dizer corretamente apareceram na tela. Todos nós fizemos isso”, disse Stavisky.
Na segunda sessão, o tamanho do vocabulário potencial aumentou para 125.000 palavras. Com apenas 1,4 horas adicionais de dados de treinamento, o BCI atingiu uma precisão de palavras de 90,2% com esse vocabulário bastante expandido. Após a coleta contínua de dados, o BCI manteve uma precisão de 97,5%.
A primeira vez que tentamos o sistema, ele chorou de alegria quando as palavras que ele estava tentando dizer corretamente apareceram na tela. Todos nós fizemos isso.” —neurocientista Sergey Stavisky
“Neste ponto, podemos decodificar o que Casey está tentando dizer corretamente cerca de 97% das vezes, o que é melhor do que muitos aplicativos de smartphone disponíveis comercialmente que tentam interpretar a voz de uma pessoa”, disse Brandman. “Esta tecnologia é transformadora porque fornece esperança para pessoas que querem falar, mas não conseguem. Espero que uma tecnologia como esta BCI de fala ajude futuros pacientes a falar com suas famílias e amigos.”
O estudo relata 84 sessões de coleta de dados ao longo de 32 semanas. No total, Harrell usou o BCI de fala em conversas autocontroladas por mais de 248 horas para se comunicar pessoalmente e por chat de vídeo.
Essa tecnologia é transformadora porque dá esperança para pessoas que querem falar, mas não conseguem.” —neurocirurgião David Brandman
“Não ser capaz de se comunicar é tão frustrante e desmoralizante. É como se você estivesse preso”, disse Harrell. “Algo como essa tecnologia ajudará as pessoas a voltarem à vida e à sociedade.”
“Foi imensamente gratificante ver Casey recuperar sua capacidade de falar com sua família e amigos por meio dessa tecnologia”, disse o autor principal do estudo, Nicholas Card. Card é um acadêmico de pós-doutorado no Departamento de Cirurgia Neurológica da UC Davis.
Não ser capaz de se comunicar é tão frustrante e desmoralizante. É como se você estivesse preso. Algo como essa tecnologia ajudará as pessoas a voltarem à vida e à sociedade.” —Casey Harrell, paciente com ELA e participante do estudo BrainGate2 BCI
“Casey e nossos outros participantes do BrainGate são realmente extraordinários. Eles merecem um crédito tremendo por se juntarem a esses primeiros ensaios clínicos. Eles fazem isso não porque esperam obter algum benefício pessoal, mas para nos ajudar a desenvolver um sistema que restaurará a comunicação e a mobilidade para outras pessoas com paralisia”, disse o coautor e patrocinador-investigador do ensaio BrainGate, Leigh Hochberg. Hochberg é neurologista e neurocientista no Massachusetts General Hospital, Brown University e no VA Providence Healthcare System.
Brandman é o principal investigador responsável pelo local do ensaio clínico BrainGate2. O ensaio está inscrevendo participantes. Para saber mais sobre o estudo, visite braingate.org ou entre em contato com braingate@ucdavis.edu.
Uma lista completa de coautores e financiadores está disponível no artigo.
Cuidado: Dispositivo investigacional. Limitado por lei federal ao uso investigacional.
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