BCI - Um Canal de Comunicação Direta com o Cérebro

BCI (Brain-Computer Interfaces) são sistemas que usam as ondas cerebrais para controlar dispositivos externos como chaves, computadores ou próteses mecânicas. Traduzido para a nossa lingua, BCI é Interface Cérebro-Computador, ou Interface Homem-Máquina (MMI - Man-Machine Interface). Mas o que é uma interface? Em Eletronica interface é um circuito ou dispositivo que interliga dois sistemas incompatíveis de modo que possam transferir informações entre si. Exemplos práticos de interfaces são o conversor A/D, que compatibiliza a saída de um circuito analógico com a entrada de um circuito digital; o modem, que interliga dois equipamentos distantes e com funções diferentes; e a popular interface USB que conecta todo tipo de dispositivo aos barramentos digitais do nosso notebook. As primeiras pesquisas em BCI buscavam controlar neuro-próteses, membros humanos artificiais, com os sinais de Eletroencefalograma (EEG), aqueles impulsos nervosos gerados pelos neurônios em nossos cérebros e captados com sensores distribuidos sobre a cabeça de um paciente.

Um pouco de Historia

A existência dos potenciais elétricos em cérebros de mamíferos é conhecida desde 1875 quando o cientista inglês Richard Caton observou atividades elétricas em cérebros expostos de coelhos e macacos utilizando como instrumento de medida dois eletrodos conectados a um galvanômetro de espiral, um aparelho de laboratório da época criado para detetar o movimento e a direção de correntes elétricas muito fracas. Trabalhando de modo independente com coelhos e cães, o neurofisiologista polonês Adolf Beck em 1890 descobriu que se podia ter algum controle sobre as flutuações elétricas cerebrais com estímulos externos, como luzes e sons. Interessado pelas pesquisas de Caton, em 1924 o médico alemão Hans Berger aperfeiçoou o galvanômetro de espiral tornando-o muito mais sensível a flutuações de tensões elétricas e modificou os eletrodos até então usados. Seus primeiros registros impressos, em 1929, foram por ele chamados de Eletroencefalograma (EEG), designação que até hoje perdura. Com seu aparelho, o eletroencefalógrafo, Berger descobriu a primeira onda cerebral, de cerca de 10 Hz, batizada por ele de onda alfa, a primeira letra do alfabeto grego. Porem naquela época muita gente via em Berger mais um desses malucos que surgem e desaparecem com suas idéias um tanto esotéricas; até mesmo muitos colegas seus duvidavam que aqueles registros realmente mostravam as atividades no cérebro. Coube a esse grande cientista alemão provar atraves de extensas medidas que outros sinais elétricos gerados pelos músculos, pelo coração e por outros órgãos não coincidiam com os registros de EEG, pois aqueles diferiam destes em amplitude e frequencia.

A ondas alfa estão principalmente associadas ao relaxamento e a estados de concentração intensa; porem outras ondas cerebrais foram descobertas mais tarde, como as ondas beta, associadas ao estado de alerta, e as ondas delta que surgem durante o sono. O Eletroencefalograma (EEG) é conhecido como o registro de atividades elétricas do cérebro captadas por eletrodos colocados sobre a cabeça do paciente. Embora existam hoje técnicas e aparelhos de captura de imagens de alta resolução em 3D dessas atividades cerebrais (ressonância magnética, tomografia computadorizada e outras), os sistemas de captura de EEG têm como vantagens o baixo custo, a captura não-invasiva e a simplicidade do registro.

Os sinais de EEG

Nosso cérebro é formado por cerca de 100 bilhões de células nervosas, os neurônios, que se organizam em grupos especializados com atividades elétricas próprias. Os neurônios se comunicam por impulsos elétricos de baixa frequencia, de 0,5 a 100 hertz, e muito baixa amplitude, abaixo de 100 microvolts. A captura e registro desses impulsos elétricos cerebrais, chamados de EEG, é um processo bastante simples e realizado normalmente de modo não-invasivo, com eletrodos dispostos em regiões específicas sobre a cabeça do paciente. Esses eletrodos são conectados a bancos de filtros ativos e amplificadores diferenciais; estes vão alimentar bobinas imersas em um campo magnético e presas a traçadores sobre uma folha de papel milimetrado. Aparelhos de EEG mais modernos são computadorizados e alem de mostrarem não mais no papel mas numa tela de LCD as formas das ondas cerebrais, podem analisar séries de medidas tomadas e sugerir procedimentos, alem de poderem enviar registros pela web. Esses sinais de EEG podem ser usados em experimentos de neurofeedback e controle mental de próteses mecanicas.

Os gráficos de EEG são de difícil interpretação já que junto com o sinal que representa a atividade sincronizada de populações de centenas de milhões de neurônios são somadas as interferências elétricas de amplitudes maiores, provenientes de outras atividades fisiológicas, como os sinais elétricos de atividades cardíacas, e de interferências eletromagnéticas externas, como a indução do sinal de 60Hz da rede elétrica e de radiação eletromagnética de outros aparelhos eletronicos e de motores elétricos.

Os pesquisadores da tecnologia BCI têm como objetivo capturar os sinais de EEG que emergem do córtex cerebral, amplificá-los e controlar atraves de computadores braços robóticos ou próteses eletro-mecânicas. Normalmente os experimentos com BCI são com ondas alfa, porque não é difícil com algum treino ter o controle das amplitudes dessas ondas através da visualização de imagens e evocação de pensamentos significativos para o experimentador; ou forte concentração da atenção em fatos marcantes. Um sistema BCI típico é constituído pelos blocos mostrados à esquerda.