“Nicolelis Lab Series – 20 Years of Brain-Machine Interface Research”, torna acessível ao público os artigos científicos produzidos em 20 anos de pesquisa em interface cérebro-máquina realizadas nos laboratórios do Dr. Miguel Nicolelis.




Foram publicados na plataforma ISUU os volumes 1 e 2 do “Nicolelis Lab Series – 20 Years of Brain-Machine Interface Research” (20 Anos de Pesquisa em Interface Cérebro-Máquina”).


Os volumes contêm mais de 800 páginas, com artigos científicos resultantes das pesquisas em interface cérebro-máquina (ICM) produzidas nos laboratórios do Dr. Miguel Nicolelis nos Estados Unidos (Duke University) e no Brasil (AASDAP e Instituto Internacional de Neurociências Edmond e Lily Safra -IIN-ELS), além de artigos de revisões e opiniões publicados em revistas científicas e uma introdução inédita escrita pelo próprio Dr. Nicolelis (traduzida integralmente a seguir). São duas décadas de pesquisas científicas que compreendem desde a criação do conceito de ICM até a sua aplicação em terapias para tratamento de distúrbios neurológicos e a neuroreabilitação de pessoas com paralisias.


Os dois volumes estão disponibilizados gratuitamente para visualização e para download nos links abaixo, possibilitando a todos o acesso a artigos científicos normalmente restritos ao meio acadêmico.



Introdução

(traduzida da seção Introduction dos volumes 1 e 2 de “Nicolelis Lab Series – 20 Years of Brain-Machine Interface Research”).


Há exatamente vinte anos, em julho de 1999, Nature Neuroscience, revista científica recém lançada na época, publicava o manuscrito intitulado “Controle de um braço robótico em tempo real utilizando registro simultâneo de neurônios no córtex motor” (Real-time control of a robot arm using simultaneously recorded neurons in the motor córtex). Resultado de uma colaboração entre o meu laboratório e o do Dr. John Chapin, este artigo deu notoriedade ao campo das interfaces cérebro-máquina (ICMs) e causou uma grande sensação na comunidade de estudo das neurociências. Curiosamente, o nome interface cérebro-máquina apareceria somente um ano depois (Nicolelis, 2001), criado em um artigo de revisão intitulado “Ações pelos pensamentos” (Actions from thoughts), que escrevi para a Nature a pedido de um de seus editores, Charles Jennings, o primeiro editor chefe da Nature Neuroscience.


Para celebrar o vigésimo aniversário daquele artigo revolucionário, decidi reunir todos os artigos sobre interface cérebro-máquina publicados por meu laboratório no Centro de Neuroengenharia da Universidade Duke, assim como pelo Instituto Internacional de Neurociências Edmond e Lily Safra e o laboratório de neuroreabilitação, fundados por mim no Brasil durante as duas últimas décadas. O objetivo desta iniciativa é colocar em dois volumes, os primeiros de uma série intitulada Nicolelis Lab Series, toda biblioteca de manuscritos que meus estudantes e eu produzimos como resultado de nossas pesquisas no campo das ICMs. De certa forma, esses volumes também são documentos históricos que demonstram a evolução de nossas ideias na área e também os muitos “desdobramentos” que surgiram de nossos ajustes do conceito original – e agora clássico – de ICM. Isso incluiu nossa transição em utilizar essa abordagem primariamente como uma ferramenta científica básica para investigar o cérebro, em busca de princípios fisiológicos que governam o comportamento de circuitos neuronais – ou grupos neurais, como gosto de chamá-los – para nosso atual e principal objetivo de desenvolver estratégias assistivas e até terapêuticas para distúrbios neurológicos e psiquiátricos que incorporam ICMs, isoladamente ou associados a outras tecnologias (por exemplo, realidade virtual e robótica) e abordagens clínicas.


Para auxiliar os profissionais experientes e iniciantes, dividi os manuscritos que compõem esses dois volumes em múltiplas categorias, que vagamente abrangem um pouco da história do campo de ICM, pelo menos da forma como a vejo, oferecendo uma boa forma de reconstruir como o trabalho racional e experimental desenvolvido em meus laboratórios evoluiu até alcançar seu foco atual no desenvolvimento de múltiplas terapias baseadas em ICM.


Seguindo esta estrutura básica, o Volume 1 se inicia com uma coleção de manuscritos que eu considero como artigos de “Fundação”. Esta seção contém alguns dos principais estudos realizados, inicialmente quando eu era pós-doutorando no laboratório de John Chapin, e depois por meu próprio laboratório na Universidade Duke que levaram à maturação e otimização dos métodos experimentais fundamentais aplicados na invenção e na disseminação da ICM durante seus primeiros quinze anos (Nicolelis et al., 1995). Eu me refiro à abordagem neurofisiológica conhecida como registro crônico, de múltiplos locais, e de múltiplos eletrodos em animais realizando determinados comportamentos, o qual John Chapin e eu originalmente desenvolvemos e implementamos em ratos entre 1989 e 1993, e que eu posteriormente adaptei e ampliei com o objetivo de realizar estudos em primatas não-humanos do Novo e Velho Mundo. Esta mudança de roedores para primatas foi fundamental para a habilidade de nossos laboratórios para dar seguimento ao estudo original da Nature Neuroscience com a primeira demonstração de ICM em primatas, publicada um ano depois, na Nature (Wessberg et al., 2000).


A próxima seção no Volume 1, Essential Methods (Métodos Essenciais) contém uma grande lista de manuscritos que descrevem em detalhe todas as principais abordagens neurofisiológicas, de engenharia biomédica, computacionais, de robótica, e comportamentais que exerceram um papel central no desenvolvimento de todas as ICMs implementadas em meus laboratórios. Esta seção é seguida de um conjunto de artigos que sumarizam nossos estudos experimentais em roedores e primatas. O Volume 2 começa com uma coleção de todos os nossos estudos clínicos de ICM até o momento. As duas próximas seções do Volume 2 são dedicadas a três desdobramentos especiais da ICM que foram originalmente propostos e desenvolvidos em grande parte por nosso laboratório na Universidade Duke. Me refiro à criação de uma neuroprótese sensorial em roedores (nosso “projeto rato infravermelho”), e dois paradigmas inovadores: interfaces cérebro-cérebro (brain-to-brain interfaces) e redes cerebrais (brainets). Nesta última seção, incluí um manuscrito recente que descreve a primeira demonstração de registros de multi-canais simultâneos, multi-cerebrais baseados em tecnologia sem fio (Tseng et al., 2018). Isso é particularmente relevante porque, no futuro, essa abordagem permitirá que os neurofisiologistas realizem estudos sociais em animais, registrando concomitantemente a atividade cerebral de um grande número de indivíduos não ligados a fios, interagindo entre si. Da mesma forma, essa abordagem permitirá o conceito de "ICMs compartilhadas", ou seja, uma ICM operada pelas contribuições simultâneas de vários cérebros individuais envolvidos no desempenho coletivo de uma tarefa comportamental.


As duas seções finais do Volume 2 contém uma série de artigos de opiniões e revisões, incluindo uma revisão muito recente e abrangente de todo campo da ICM, suas origens históricas, e potenciais aplicações clínicas futuras (Lebedev and Nicolelis, 2017).


Revisar todo este material me trouxe grandes lembranças e reviveu algumas das tremendas “batalhas acadêmicas” que John Chapin e eu tivemos que lutar no início para convencer alguns dos mais recalcitrantes e conservadores colegas da neurociência de sistemas de que a ICM não era apenas uma ferramenta experimental legítima para investigação do cérebro, mas que, no devido tempo, ela também poderia se tornar uma abordagem principal para auxiliar e tratar pacientes sofrendo de uma variedade de transtornos cerebrais que ainda hoje desafiam os médicos, dada a falta de terapias adequadas para tratá-las. Felizmente, a grande maioria destes colegas, dado o sucesso evidente desta área e seu potencial benéfico claro, mudaram graciosamente seu modo de pensar e se tornaram apoiadores entusiásticos deste campo de investigação em rápida expansão. Alguns poucos, infelizmente, ainda resistem, considerando a ICM apenas como uma “ciência aplicada”, como se isso fosse uma ofensa a todos nós que levamos esse campo, em vinte anos, de suas origens na ciência básica até os estudos clínicos que prometem desencadear o potencial total deste paradigma a milhões de pacientes.


Desde nossa demonstração pública do impacto das ICMs durante a cerimônia de abertura da Copa do Mundo no Brasil em 2014, quando um paciente paraplégico foi capaz de utilizar uma ICM não invasiva para desferir o chute de abertura daquele evento para uma audiência mundial de TV estimada em 1.2. bilhões de pessoas, a fascinação pública com as ICMs, e seu impacto potencial na melhora de pacientes que sofrem de transtornos cerebrais, tem disparado em todo mundo.


Tendo testemunhado, muitas vezes, a reação entusiasmada de públicos científico e leigo por todo planeta, quando mostro que aqueles modestos estudos com ratos, realizados no laboratório de John Chapin na Filadélfia no início dos anos 90, nos permitiu, apenas vinte anos mais tarde, proporcionar a um jovem paralisado do meio do peito para baixo, um modo de andar de novo apenas com o seu próprio pensamento, eu só posso dizer que tudo valeu a pena. Sem sombra de dúvidas.