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Oftalmologia/Olhos

Cego com implante de elétrodos no córtex cerebral poderá enxergar

09/01/2005

Visão artificial promete fazer cegos enxergar

 

"Próteses visuais" estimulam artificialmente a retina com sinais elétricos - Duncan Graham-Rowe*

 

Cego com implante de elétrodos no córtex cerebral

Quando Delvin Kehoe olhou para si mesmo em um espelho neste ano, ele ficou estarrecido com o que viu. Em vez do rosto sorridente de um homem na faixa dos 30 anos, ele foi saudado por uma careta de um homem de 59 anos. Mas Delvin não estava sentindo repentinamente sua idade, nem mesmo despertando de um longo coma. Ele estava simplesmente vendo seu reflexo pela primeira vez em 20 anos.

A dele é uma das várias histórias de milagre da comunidade oftalmológica. Anos depois de perderem sua visão para uma doença degenerativa -no caso de Delvin, a retinose pigmentar- pacientes têm recebido um implante ocular que restaura sua visão. Estas "próteses visuais" funcionam estimulando artificialmente a retina com sinais elétricos que alimentam o nervo ótico até o córtex visual. Das 20 pessoas que receberam tais implantes em todo o mundo, algumas alegam que eles fornecem imagens tão claras e detalhadas que são capazes de ver não apenas seus reflexos, mas distinguir objetos tão minúsculos como formigas no chão. Um homem até mesmo se sentiu confortável o suficiente para dirigir seu carro, apesar de que em uma propriedade privada.

Mas se os implantes funcionam tão bem, por que não há milhões de cegos fazendo fila para recebê-los? A verdade é que, apesar das histórias atraentes, muitos pesquisadores estão começando a questionar o quão bem a atual tecnologia realmente funciona. Para cada Delvin Kehoe, há vários outros cujas próteses visuais fornecem pouco mais do que pontos e manchas indistintas. Para estas pessoas, o ambiente ao redor delas lembra na melhor das hipóteses um jogo de "space invaders", cheio de imagens granuladas formadas por pontos que pouco se assemelham à realidade.

Agora um pesquisador está propondo uma reavaliação fundamental dos princípios empregados nos atuais implantes de retina. Kwabena Boahen, um bioengenheiro da Universidade da Pensilvânia, diz que em vez de meramente estimular a retina, nós deveríamos estar simulando ela. Ele criou uma retina artificial que copia a função de uma verdadeira a ponto de acionar neurônios individuais. Apesar de ainda não ter testado seu implante em uma pessoa, ele está confiante de que seu projeto poderá algum dia proporcionar uma visão natural plena para os cegos.

Há muitos motivos para duvidar que a atual tecnologia possa produzir algo como a visão natural. Todos os implantes que estão sendo testados no momento se baseiam em uma descoberta dos anos 50, a de que o estímulo da retina com pulsos elétricos produz fosfenos, ou sensações de visão, mesmo em pessoas cegas. Na maioria dos casos, as pessoas ficam cegas porque suas retinas não mais conseguem sentir a luz, mas o restante do seu sistema de processamento visual -os neurônios na retina, o nervo ótico e córtex visual no cérebro- continua funcionando normalmente. Se um chip implantado pudesse estimular fosfenos significativos suficientes no cérebro, prossegue a teoria, pessoas cegas seriam capazes de ver novamente.

Mas como você projeta um implante para que as pessoas consigam os fosfenos úteis? Não há um consenso claro. Talvez a técnica mais óbvia, chamada de abordagem epiretiniana, seja a de cobrir a superfície da retina com uma série de eletrodos, cada qual estimulando as células nervosas ganglionares sob eles. Os eletrodos recebem seus sinais de um transmissor que monitora a informação visual por meio de uma câmera nos óculos do paciente.

Mas os críticos desta abordagem não gostam da suposição implícita de que as células ganglionares são simples interruptores liga-desliga. Em uma retina saudável, estas células não recebem sinais diretamente dos fotoreceptores. Os fotoreceptores passam sua informação para camadas de outros tipos de células -células horizontais, bipolares e amácrinas- que então a processam e retransmitem para as ganglionares. Nos chips epiretinianos, por outro lado, não há pré-processamento. "É realmente artificial", diz Mark Humayun, cuja equipe na Universidade do Sul da Califórnia, em Los Angeles, realizou um implante epiretiniano em um paciente neste ano.

E este passo de pré-processamento é um elemento crucial da visão. As células ganglionares usam esta rede de camadas de células para comparar as diferenças entre os sinais dos fotoreceptores próximos e só retransmitem os dados de mudanças marcantes, como o limite de uma área de intensidade fixa ou seu movimento pelo campo de visão. Informação menos interessante é ignorada. Assim os sinais que as células ganglionares retransmitem para o nervo ótico já estão parcialmente processados. Em uma prótese que não executa este processamento, o cérebro perde uma fonte de informações úteis. Isto pode resultar em sinais contraditórios caso, por exemplo, o chip estimule diretamente uma célula ganglionar que normalmente só é ativada quando detecta uma borda, mas que também estimule as células vizinhas de forma a indicar uma região de brilho constante.

É portanto uma maravilha o fato do paciente de Humayun conseguir enxergar 16 pontos de luz em um arranjo quatro por quatro correspondente às posições dos eletrodos em sua retina. A resolução melhora ligeiramente se o paciente mover sua cabeça para escanear o campo visual, mas "alta resolução e visão quase natural é algo que está muito distante", diz Humayun.

Outra técnica, a abordagem sub-retiniana, parece mais promissora. Aqui, o implante fica situado atrás da retina e estimula as células bipolares. Como estão além das células ganglionares, os implantes sub-retinianos têm o potencial de acessar parte do poder de processamento das partes da retina que ainda estão funcionando.

Os implantes sub-retinianos parecem particularmente promissores porque permitem que o restante do olho funcione normalmente, permitindo que o cristalino projete imagens diretamente nos fotodiodos do chip, que convertem a luz em sinal elétrico. Mas com isto surge outra dificuldade.

Os eletrodos devem ser separados por uma distância grande o suficiente para que não interfiram com o sinal uns dos outros. Como resultado, ainda não é possível transmitir para células bipolares individuais, e portanto um grande número de células são estimuladas simultaneamente fazendo com que se perca resolução, diz Eberhart Zrenner, um neuroftalmologista da Universidade de Tübingen na Alemanha, que está desenvolvendo chips sub-retinianos. Ele também diz que os chips sub-retinianos não incorporam uma compreensão plena de como as células horizontais, bipolares e amácrinas processam os dados visuais. Ele não espera que a abordagem consiga muito mais do que fornecer aos cegos alguma percepção básica do que os cerca. Sua acuidade visual sempre ficará muito aquém da visão natural, diz ele, e sempre será ligeiramente distorcida.

Entretanto, Vincent e Alan Chow, cuja a empresa, a Optobionics em Wheaton, Illinois, implantou o chip em Delvin Kehoe, alegam ter levado os sub-retinianos mais além. Os chips da Optobionics contêm 5 mil fotodiodos, de forma que na teoria eles seriam capazes de uma resolução pelo menos três vezes maior do que os de Zrenner, provavelmente o suficiente para ver seu reflexo em um espelho.

Mas não se sabe até que ponto os sucessos da Optobionics se devem aos implantes. Em maio, a empresa divulgou que seus chips tiveram um efeito colateral incomum e inesperado. Ao invés de apenas estimular grupos de células perto de cada um dos eletrodos, os pacientes estavam experimentando uma melhora da visão em áreas da retina além do alcance físico dos chips. Partes anteriormente danificadas de suas retinas estavam repentinamente funcionando novamente, mesmo em lugares não cobertos pelo chip.

Então, o que está acontecendo? Os Chows argumentam que a corrente gerada pelo chip está reativando fotoreceptores por grandes áreas da retina, além do alcance do chip. Apesar disto provavelmente não qualificar o implante como uma prótese, já que os pacientes não o estão usando diretamente para ver, isto seria um efeito realmente notável.

Mas outros que trabalham no campo preferem uma explicação diferente que dá ainda menos crédito para os chips da Optobionics. Em muitas doenças retinianas, incluindo a retinose pigmentar, não é incomum fotoreceptores falhos começarem a funcionar novamente, diz Zrenner. Este efeito pode ser causado pelo trauma da própria cirurgia. Especialistas em tecidos concordam. "O olho é muito sensível", diz Peng Tee Khaw, um especialista em reparo de tecidos do Moorfields Eye Hospital, em Londres. "No momento em que você mexe nele você libera todos estes fatores de crescimento. Mesmo se você injetar água no olho, há uma recuperação".

Se o críticos estiverem certos, Delvin Kehoe e outros pacientes da Optobionics poderiam ter as mesmas experiências visuais caso os cirurgiões tivessem feito cirurgias simuladas em seus olhos, sem se importarem em implantar os chips. Alan Chow discorda. Ele diz que o efeito de cura provocado pelo trauma da cirurgia não poderia durar tanto nem ser tão robusto quanto os resultados que ele viu nos seus pacientes.

Talvez o trabalho mais promissor em próteses visuais, em termos do que os pacientes realmente vêem, deriva da estimulação cortical, ou a estimulação direta do cérebro. William Dobelle, do seu próprio Instituto Dobelle em Commack, Nova York, acredita que próteses visuais não devem ser desenvolvidas apenas para pessoas com doenças retinianas, mas para aqueles que sofreram traumas no olho ou no nervo ótico. Se um dispositivo pretende atender a uma ampla variedade de causas de cegueira, ele terá que driblar os olhos.

A técnica de Dobelle envolve o implante de eletrodos no córtex visual. Os eletrodos então recebem um sinal semelhante ao de vídeo por um cabo de uma câmera montada nos óculos do paciente. "Inicialmente os fosfenos aparecem quase aleatoriamente", diz Dobelle. Mas ele melhora as imagens ajustando os sinais transmitidos aos eletrodos enquanto o paciente descreve o que está vendo. Ele também usa algoritmos para encontrar a borda dos objetos na imagem da câmera e assegurar que os limites entre luz e sombra apareçam nos fosfenos no ponto certo do campo visual.

Mas nos 30 anos que Dobelle tem feito experiências com a visão humana, a acuidade visual de seus pacientes não melhorou além de 100 pixels. Em comparação, a acuidade da visão normal é de pelo menos 10 mil vezes mais que isto. Apesar de toda a sofisticação de seu software, é pouco provável que ele conseguirá equiparar a eficiência da retina na produção de uma visão natural. Seus eletrodos estimulam centenas, senão milhares, de neurônios simultaneamente, mas para obter visão natural, ele precisará aumentar drasticamente o número de eletrodos e encontrar uma forma de impedir que os sinais interfiram uns com os outros.

Entra Boahen. Ele diz que o problema com as próteses existentes é que elas não se baseiam em qualquer compreensão real de como funciona uma retina saudável. Ao invés de apenas retransmitir sinais para o cérebro, a retina realiza uma enorme quantidade de pré-processamento. Ao invés de tratar a retina puramente como uma superfície detetora de luz, Boahen diz que temos que pensar nela como uma parte do cérebro. Até entendermos como a retina "pensa", nós nunca produziremos uma boa prótese.

Assim Boahen passou os últimos anos tentando sondar as computações colossais que ocorrem em uma retina saudável. Para se ter uma idéia de quanto processamento a retina faz, considere que há cerca de 130 milhões de fotoreceptores em cada retina humana, mas apenas cerca de um milhão de caminhos neurais no nervo ótico. O olho não poderia espremer toda a informação que recebe por um duto tão estreito. Ao invés disso, a retina filtra e interpreta a informação e envia apenas o que interessa. "Na maior parte do tempo as células (ganglionares) não disparam", explica Boahen. "Elas só respondem à mudanças".

Boahen agora está desenvolvendo um dispositivo de silício que tenta copiar a função de todas estas camadas de células. É uma tarefa enorme, e muitos dos que já estão implantando chips menos complexos não conseguem se livrar da sensação de que Boahen está tentando correr antes de aprender a andar. "Nós não queremos nos exceder na sua engenharia", diz Humayun. O "chip retinomórfico" de Boahen tem várias camadas de "células" diferentes, interconectadas, gravadas em silício. Como seus pares biológicos -as células horizontais, bipolares e amácrinas e ganglionares- estas células de silício realizam funções de processamento de sinal diferentes e muito específicas.

O chip de Boahen já detecta luz e realiza o mesmo tipo de função de detecção de borda e movimento que a retina verdadeira, produzindo no final um sinal elétrico semelhante àquele em um nervo ótico saudável. "Nós mais ou menos temos um modelo completo de retina", diz Boahen. "Nós fomos capazes de desenvolver sinais de saída que eqüivalem àqueles do nervo ótico".

O processamento de muitos sinais simultâneos em um dispositivo não é uma tarefa fácil. Os chips de silício empregam cerca de 100 mil vezes mais componentes e conexões para executar uma séria determinada de computações do que o sistema nervoso humano. Isto porque eles executam tarefas computacionais uma após a outra, ao invés de rodar várias em paralelo como o cérebro é capaz.

Fazer com que o chip retinomórfico execute computações suficientes sem gerar calor demais é uma obra de engenharia impressionante. Os chips geram muito calor e o tecido biológico não suporta isto muito bem. Mas Boahen encontrou um meio de processar milhares de sinais em paralelo fazendo com que transistores se comportem como sinapses neurais individuais. Nos chips, os transistores normalmente se comportam como chaves simples, chaves liga-desliga digitais que formam circuitos binários lógicos simples. Os transistores de Boahen produzem sinais análogos que não são simplesmente de liga e desliga, mas podem ser também ser mais fortes ou mais fracos. Com o tempo, os transistores transmitirão um sinal na mesma forma que os recebem das células de silício.

Isto resolve o problema do calor porque, com sinais análogos mais simples, cerca de mil vezes menos transistores são necessários para transmitir a mesma informação. Mas Boahen não pode implantar o chip no momento porque em sua forma atual o chip ainda não combina com a resolução da retina. Com cerca de 6 mil fotoreceptores alimentando cerca de 1.500 células ganglionares, seus componentes precisam ser miniaturizados em um fator de 10 mil para equiparar a capacidade da retina real. Apesar da Lei de Moore estar do lado de Boahen -a cada 18 meses dobra o número de transistores que os fabricantes conseguem inserir nos chips- um problema que a indústria de chips não conseguiu resolver é como desenvolver a face do chip para que este possa interagir com tecido vivo em alta resolução.

A solução destes problemas levará anos, o que não serve de consolo para as pessoas que já lidam com a cegueira, mas Boahen acredita que valerá a pena esperar por seus chips sofisticados. Ele espera que pioneiros como Zrenner, Dobelle, Humayun e Chow usem sua tecnologia quando seus primeiros voluntários abrirem seus olhos para uma visão realmente natural. Isto não representa uma crítica aos esforços aplicados na atual tecnologia -descobrir que tipo de estímulo provoca a ação de cada nervo diferente é importante. A diferença agora é que o chip de Boahen está falando a linguagem do cérebro.

 

In: New Scientist


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