Interface Cérebro-Máquina e o Projeto Andar de Novo

Em 1999, há exatamente duas décadas, os Drs. John Chapin, Miguel Nicolelis e colaboradores publicaram o primeiro estudo científico demonstrando que sinais elétricos gerados por populações de neurônios motores, registrados em ratos acordados, podiam ser extraídos e convertidos em comandos em tempo real para um braço robótico. Este experimento inovador evidenciou o enorme potencial do uso desta tecnologia, denominada interface cérebro-máquina (ICM), na restauração de movimentos em pessoas acometidas por paralisias.


Desde então, a pesquisa em ICM passou por um grande avanço, tendo os estudos do Dr. Nicolelis e equipe se destacado na criação e aprimoramento de tecnologias para registro de populações de neurônios; controle de artefatos robóticos, de aparatos assistivos, e de braços e pernas virtuais; para tratamento de sintomas da Doença de Parkinson e epilepsia; para desenvolvimento de interface cérebro-cérebro e de redes cerebrais para sincronização de tarefas, entre outras.


Em 2009, com base na experiência adquirida em sua carreira, o Dr. Nicolelis reuniu um time de colegas neurocientistas, roboticistas, neuroengenheiros, cientistas da computação, neurocirurgiões e profissionais da reabilitação para formar o consórcio científico internacional sem fins lucrativos denominado Walk Again Project (Projeto Andar de Novo), criado com a missão de desenvolver uma veste robótica (exoesqueleto) controlada pelo cérebro humano capaz de restaurar a locomoção em pessoas acometidas por paralisia. Ainda em 2009, o IINN-ELS, centro de desenvolvimento das pesquisas científicas da AASDAP, se tornou responsável pela coordenação do Projeto Andar de Novo no Brasil.



O Exoesqueleto

Como forma de popularizar o potencial das ICM para reabilitação de pessoas com paralisias, o consórcio Walk Again propôs ao governo brasileiro e à FIFA que a primeira demonstração pública do exoesqueleto fosse efetuada durante a cerimônia de abertura da Copa do Mundo no Brasil em 2014. Esta proposta foi aceita e, em dezembro de 2012, a AASDAP, gestora do Projeto Andar de Novo no Brasil, assinou um convênio com a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) para o desenvolvimento do exoesqueleto controlado pelo cérebro. Em parceria com a Associação de Assistência para a Criança Deficiente (AACD), o primeiro laboratório do Projeto Andar de Novo foi montado dentro das instalações da AACD em São Paulo, tendo a equipe clínica desta instituição auxiliado no recrutamento de voluntários paraplégicos para a pesquisa e de profissionais clínicos para o Projeto.


Entre dezembro de 2012 e junho de 2014 uma equipe multidisciplinar com 156 profissionais oriundos de diversos países e instituições trabalhou ininterruptamente para projetar, desenvolver, e testar toda a estrutura do Exo e o seu sistema de comunicação ICM. Em síntese, o Exo funciona da seguinte forma: (1) o usuário imagina o movimento de uma de suas pernas (por exemplo, a esquerda) e este pensamento gera sinais cerebrais, (2) o sistema de eletroencefalografia (EEG) capta estes sinais cerebrais através de eletrodos colocados em uma touca na cabeça do usuário, bem acima das áreas de representação das pernas no cérebro, (3) os sinais captados são enviados a um processador que os codifica em comandos de ativação do Exo, (4) o Exo move a perna esquerda, (5) sensores de pressão e distância instalados nos pés do Exo geram informações que são codificadas em tempo real em estímulos táteis aplicados no antebraço do usuário (área do corpo com sensibilidade intacta), provendo a sensação virtual de toque do pé no chão ou na bola. Estes estímulos táteis são importantes porque os voluntários paraplégicos não apresentam sensibilidade abaixo do nível da lesão medular; desta forma, ao receber os estímulos no antebraço durante a caminhada com o Exo, o usuário tem a sensação de andar com suas próprias pernas e não de ser carregado pelo equipamento.


Os testes do Exo foram realizados com sucesso em oito voluntários paraplégicos. Em 12 de Junho de 2014, Juliano Pinto, representando os demais voluntários da pesquisa, deu o chute inicial da Copa do Mundo e conseguiu demonstrar, para uma plateia de mais de 70 mil torcedores, além de bilhões de telespectadores em todo mundo, a viabilidade do controle de um aparato robótico pelo cérebro humano.



Melhora Neurológica e o Protocolo de Neuroreabilitação

Após a cerimônia da Copa o Projeto Andar de Novo continuou, e durante a realização de avaliações médicas a equipe clínica notou que os voluntários estavam desenvolvendo algum nível de percepção sensorial e controle motor nas áreas abaixo da lesão medular.


Para investigar esta melhora neurológica nossa equipe deu continuidade a rotina de treinos que os voluntários realizaram durante a pesquisa de desenvolvimento do Exo. Esta rotina, que denominamos Protocolo de Neuroreabilitação, consiste em treino de fisioterapia convencional (fortalecimento e alongamento), treino de marcha robótica com Lokomat, treino de marcha robótica ICM com o Exo, treino de marcha convencional, e treino de realidade virtual com ICM.


Após 12 meses de treinamento, alguns voluntários recuperaram parcialmente a capacidade de controlar os músculos de suas pernas e de sentir toque e dor em seus membros paralisados, mesmo tendo sido originalmente diagnosticados com paraplegia crônica, em alguns casos por mais de uma década. Os voluntários também recuperaram algum nível de controle de bexiga e de intestino e tiveram melhora na função cardiovascular. Desta forma, quatro voluntários (50% da população estudada) tiveram evolução de classificação ASIA (escala para classificação neurológica de lesão medular dada pela American Spinal Injury Association): três passaram de ASIA A para ASIA C e um passou de ASIA B para ASIA C. Estes resultados estão publicados na revista científica Scientific Reports.


No período de 28 meses de treinamento, a melhora neurológica continuou para os sete voluntários que se mantiveram no protocolo. Apenas para um voluntário que interrompeu a participação no estudo após 12 meses a melhora neurológica não ocorreu. Os sete voluntários que continuaram o protocolo de neuroreabilitação recuperaram níveis significativos de sensação nociceptiva abaixo do nível da lesão, melhora das funções motoras voluntárias e funções sensoriais para diversas modalidades (propriocepção, tátil, pressão e vibração). Também recuperam parcialmente funções intestinais, urinárias e sexuais. Ao final de 28 meses, todos os voluntários evoluíram na escala ASIA (seis passaram de ASIA A para C, e um passou de ASIA B para ASIA C). Esta evolução clínica também refletiu em melhora na qualidade de vida, avaliada por testes psicológicos padronizados. O acompanhamento psicológico dos voluntários demonstrou que, no geral, a participação no protocolo de neuroreabilitação também promoveu uma sensação de empoderamento, fortalecendo a sensação de competência, autovalorização e autoestima dos voluntários. Estes resultados estão publicados na revista PLOS ONE.



Melhora da classificação neurológica dos voluntários do Projeto Andar de Novo. O eixo y indica a classificação neurológica de cada voluntário de acordo com a escala de ASIA e o eixo x indica os meses de participação no protocolo.



Além da aplicação do protocolo de neuroreabilitação com os voluntários paraplégicos, nossa equipe desenvolveu, em parceria com o Laboratório de Sistema Robótico da École Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), um sistema não-invasivo de estimulação elétrica funcional (FES) controlado pelo cérebro (BMI-sFES). Este sistema integrou as seguintes inovações tecnológicas: 16 canais sFES para estimulação elétrica de músculos para geração de passos, levando-se em conta todas as subfases da marcha fisiológica; ativação do sFES a partir da detecção dos sinais elétricos das áreas motoras das pernas direita e esquerda do usuário (captadas por EEG); e aplicação de estímulos vibratórios no antebraço do usuário para prover a sensação virtual dos membros inferiores.


Ao ser acionado pelo pensamento de movimentação de sua perna, o usuário ativa o BIM-s FES, que emite pulsos elétricos para ativar individualmente e ordenadamente 16 músculos das pernas, seguindo a sequência de ativação muscular realizada na marcha normal. Esta característica do sistema possibilita que o indivíduo realize os movimentos de caminhada de forma natural (suave e contínua), utilizando apenas o apoio de um andador e suporte corporal parcial. Os sistemas FES usam um padrão de estímulo que ativa o reflexo de flexão durante a fase de balanço e os músculos glúteo e quadríceps durante a fde apoio, o que resulta em um padrão de marcha “não natural” (rígido e descontínuo). Estímulos vibratórios aplicados no antebraço do usuário dão a sensação virtual de toque dos pés no chão, auxiliando o usuário a perceber os eventos da marcha.


O BMI-s FES foi testado e validado com dois voluntários com paraplegia crônica, que caminharam com segurança com 65-70% de suporte de peso corporal, acumulando um total de 4.580 passos com esta configuração. Para estes voluntários observamos melhora da marcha (menor dependência na assistência ao caminhar), aumento no volume muscular e também recuperação neurológica parcial em ambos os voluntários, com taxas substanciais de melhora motora para um deles. Estes resultados estão publicados na revista Scientific Reports.



Sistema de estimulação elétrica funcional controlada pelo cérebro (BMI-s FES), desenvolvido no Projeto Andar de Novo.



Até o momento, os nossos estudos são os únicos na literatura científica a demonstrar que o uso das interfaces cérebro-máquina não invasivas e sem uso de fármacos tem efeito na recuperação de funções sensoriais e motoras em pessoas com paraplegia completa. Estes resultados trazem esperança para milhares de pessoas acometidas por paralisias ou distúrbios de movimentos causados por doenças neurológicas e, certamente, é um grande passo em direção ao desenvolvimento de tratamentos que garantam a qualidade de vida destas pessoas.



Parcerias

O consórcio internacional do Projeto Andar de Novo (Walk Again Project) contou com a colaboração de diversas instituições:


Associação de Assistência à Criança Deficiente – AACD (Brasil);
BIA Turnkey Systems, Paris (França);
Cardinal Hill Rehabilitation Hospital, Health Care Kentucky University, (EUA);
Colorado State University (EUA);
Duke Immersive Virtual Environment, Duke University (EUA);
Duke University Center for Neuroengineering (EUA);
École Superieure de Physique et Chimie Industrielles de La Ville de Paris (França);
International Neuroscience Network Foundation (INNF);
Instituto Internacional de Neurociências Edmond e Lily Safra - IIN-ELS (Brasil);
Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia - Interface Cérebro Máquina (INCT-INCEMAQ, Brasil);
Laboratoire de Systèmes Robotiques, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne - EPFL (Suíça)
Neuroprosthetic Center at École Polytechnique Federale de Lausanne - EPFL (Suíça);
Robotics, Autonomous Systems, and Controls Laboratory, UCDavis, (EUA)
Robotics Group at ATR Laboratories of Kioto (Japão)
Technical University of Berlin (Alemanha);
Technical University of Munich (Alemanha).



Painel instalado no Laboratório em São Paulo, com os nomes de todos os colaboradores do Projeto Andar de Novo



Produção Científica


Artigos em jornais científicos:

A. Selfslagh, S. Shokur*, D. S.F. Campos, A. R. C. Donati, S. Almeida, S.Y. Yamauti, D.B. Coelho, M. Bouri, M. A. L. Nicolelis (2019). Non-invasive, Brain-controlled functional electrical stimulation for locomotion rehabilitation in paraplegic patients. Scientific Reports. 9:6782. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43041-9


Solaiman Shokur, Ana R.C. Donati, Debora S.F. Campos, Claudia Gitti, Guillaume Bao, Dora Fischer, Sabrina Almeida, Vania A.S. Braga, Patricia Augusto, Chris Petty, Eduardo J.L. Alho, Mikhail Lebedev, Allen W. Song, Miguel A.L. Nicolelis. (2018). Training with brain-machine interfaces, visuo-tactile feedback and assisted locomotion improves sensorimotor, visceral, and psychological signs in chronic paraplegic patients. PLOS ONE 13(11):e0206464. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206464


Solaiman Shokur, Simone Gallo, Renan C. Moioli, Ana Rita C. Donati, Edgard Morya, Hannes Bleuler & Miguel A.L. Nicolelis. (2016). Assimilation of virtual legs and perception of floor texture by complete paraplegic patients receiving artificial tactile feedback. Scientific Reports 6, 32293. https://doi.org/10.1038/srep32293


Ana R. C. Donati, Solaiman Shokur, Edgard Morya, Debora S. F. Campos, Renan C. Moioli, Claudia M. Gitti, Patricia B. Augusto, Sandra Tripodi, Cristhiane G. Pires, Gislaine A. Pereira, Fabricio L. Brasil, Simone Gallo, Anthony A. Lin, Angelo K. Takigami, Maria A. Aratanha, Sanjay Joshi, Hannes Bleuler, Gordon Cheng, Alan Rudolph, Miguel A. L. Nicolelis. (2016). Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients. Scientific Reports 6, 30383; doi: 10.1038/srep30383



Artigos em conferências:

M. Bouri, A. Selfslagh, D. Campos, S. Yonamine, A. Donati, and S. Shokur (2019). "Closed-Loop Functional Electrical Stimulation for Gait Training for Patients with Paraplegia." In 2018 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), pp. 1489-1495. IEEE.


B. Hannes, T. Vouga, A. Ortlieb, R. Baud, J. Fasola, J. Olivier, S. Shokur, and M. Bouri (2018). Exoskeletons as Mechatronic Design Example. New Trends in Medical and Service Robotics (MESROB), pp. 109-117. Springer, Cham.


D. J. Zielinski, R. P. McMahan, S. Shokur, E. Morya, and R. Kopper (2014). Enabling Closed-Source Applications for Virtual Reality via OpenGL Intercept-based Techniques. IEEE 7th Workshop on Software Engineering and Architectures for Realtime Interactive Systems (SEARIS), pp. 1–6.



Pôsteres em eventos científicos:

Shokur, S.; Asnis, F.; Almeida S.; Nicolelis, M.A.L. The peripersonal space representation in paraplegic patients depends on the level of lower-limb residual neurological functions. In: 48th Society for Neuroscience, 2018, San Diego.


Shokur, S.; Donati, A.R.C; Nicolelis, M.A.L. Long-term training with no-invasive brain machine-interfaces and locomotion promotes neurological improvements in patients with chronic complete paraplegia: a pilot clinical trial. In: 47th Society for Neuroscience, 2017, Washington.


Selfslagh, A.; Shokur, S.; Donati, A. R. C; Campos, D. S. F; Almeida, S. B de; Padula, N.; Bleuler, H.; Bouri, M.; Nicolelis, M.A.L. Locomotion training with closed-loop brain-machine interface and lower-limb functional electrical stimulation for complete paraplegic patients. In: 47th Society for Neuroscience, 2017, Washington.


Campos, Debora S. F.; Selfslagh, Aurélie; Shokur, Solaiman; Donati, Ana R. C.; Fisher, Dora; Bouri, Mohamed; Bleuler, Hannes; Nicolelis, Miguel A. L. Developing a new synergic muscle contraction gait model produced by surface functional electrical stimulation (FES) in humans after complete spinal cord injury (SCI). In: Annual Meeting of the International Functional Electrical Stimulation Society (IFESS), 2017, London.


Donati, Ana R. C.; Shokur, Solaiman; Campos, Debora S. F.; Nicolelis, Miguel A. L. Development of a New Motor Assessment for Spinal Cord Injury Patients. In: International Neurorehabilitation Symposium (INRS), 2017, Londres.


Nicolelis, Miguel A. L.; Donati, Ana R. C.; Shokur, S.; Morya, E. Brain-Machine-Interface Based Neurorehabiltation Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients. In: 9th World Congress for Neurorehabilitation, 2016, Philadelphia.


Donati, A.R.C.; Shokur S.; Campos, D. S. F.; Pires, Cristhiane G.; Fischer, D.; Morya, E.; Nicolelis, M.A.L. Improvement of Trunk Stability in Chronic Paraplegic Patients After Long-Term Training With Robotic Orthotic Trainers. In: 9º WCNR – World Congress for NeuroRehabilitation, 2016, Philadelfia.


Shokur S.; Donati, A. R. C.; Moioli, R. C.; Nicolelis, M. A. L. Tactile Feedback Restoration Using Sensory Substitution In Chronic Paraplegic Patients. In: 9th World Congress for Neurorehabilitation, 2016, Philadelphia.


V. Braga, A. Donati, S. Shokur, M. Nicolelis. A melhora da função intestinal dos pacientes com lesão medular crônica submetidos a treinamento de neuroreabilitação de longo prazo. 25° Congresso Brasileiro de Medicina Física, São José do Rio Preto, 2016.


D. Campos, A. Donati, D. Fisher, S. Shokur, M. Nicolelis. Programa de reabilitação ativa para lesão medular completa: impacto sobre a recuperação neurológica motora. 25° Congresso Brasileiro de Medicina Física e Reabilitação, São José do Rio Preto, 2016.


P. Augusto, C. Gitti, A. Donati, S. Shokur, M. Nicolelis. Mudanças na imagem corporal de pacientes com lesão medular crônica e motoramente completa após experimento com realidade virtual. 25° Congresso Brasileiro de Medicina Física e Reabilitação, São José do Rio Preto, 2016.


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