Neurofísica é ferramenta para compreender mensagens do cérebro

Grupo do IFGW utiliza recursos da Física para interpretar sinais do sistema nervoso e desenvolver tecnologias terapêuticas

O envelhecimento da população é um desafio que bate à porta de governos, instituições e profissionais que se dedicam a planejar o futuro e cuidar do bem-estar das pessoas. No Brasil, o cenário exige atenção. Um levantamento do Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea, 2021) aponta uma tendência de redução da taxa de fecundidade acompanhada de maior expectativa de vida dos brasileiros. A população, hoje estimada em 210 milhões, chegaria ao ano de 2100 na faixa dos 178 milhões. O grupo de idosos saltaria dos atuais 15% para 30%. Em um cenário de queda abrupta da fecundidade, o Ipea sinaliza uma redução do total da população para 156 milhões de pessoas, sendo que 40% teriam mais de 65 anos. 

A qualidade de vida dessas pessoas exige cuidados especiais. Compreender o funcionamento do cérebro pela detecção de seus sinais pode tornar esses cuidados mais personalizados e eficazes. Este é um dos propósitos do Grupo de Neurofísica, que reúne pesquisadores do Instituto de Física “Gleb Wataghin” (IFGW) em parceria com outras unidades da Unicamp.

foto mostra pesquisadores realizando pesquisa em um voluntário
Grupo de Neurofísica tem objetivo de compreender funcionamento do cérebro a partir da interpretação de seus sinais (foto: acervo pessoal)

"Buscamos entender o cérebro e seus processos, como o envelhecimento do órgão. Também buscamos parâmetros que auxiliem no diagnóstico de doenças, na eficácia de um tratamento e nos prognósticos para a evolução de um paciente", explica Gabriela Castellano, professora do IFGW e integrante do grupo. 

Por meio de análises matemáticas de imagens da anatomia cerebral e de mapas funcionais de processos internos do órgão, os pesquisadores conseguem extrair dados importantes para tratamentos médicos. Também desenvolvem e aprimoram tecnologias que podem ser utilizadas em diferentes terapias. Esses avanços têm o potencial de beneficiar desde idosos até pacientes com doenças neuromotoras, vítimas de acidentes, sequelas de AVCs, entre outros. 

“A população mundial está envelhecendo, mais pessoas precisam de algum tipo de reabilitação, e não há clínicas e terapeutas suficientes para atender à demanda. Por isso, uma reabilitação que possa ser feita em casa, supervisionada por um terapeuta de forma remota, por exemplo, será algo decisivo", pontua Castellano. 

foto mostra professora gabriela castellano. ela usa camiseta roxa, máscara e está em frente a um computador
Gabriela Castellano destaca o foco dos estudos da neurofísica na compreensão do funcionamento cerebral (foto: Antonio Scarpinetti)

Respostas para os fenômenos cerebrais

As pesquisas do grupo dividem-se em estudos anatômicos e funcionais. Os primeiros realizam a análise de imagens da anatomia cerebral para identificar patologias e extrair parâmetros para diagnósticos. Já nos estudos funcionais, os pesquisadores acompanham processos cerebrais que ocorrem por um período determinado, avaliando suas causas e consequências. As abordagens são complementares, ou seja, em um estudo funcional podem ser utilizadas uma série de imagens anatômicas. 

"São técnicas que permitem avaliar a dinâmica cerebral, verificar as regiões do cérebro associadas a um estímulo que uma pessoa venha a receber, enquanto desempenha uma tarefa, por exemplo, e também analisar como a dinâmica cerebral muda ao longo de um período", detalha Gabriela Castellano. 

foto mostra pesquisadores realizando pesquisa em um voluntário
Técnicas de coleta de imagens do funcionamento do cérebro são utilizadas pelos pesquisadores de forma complementar (foto: acervo pessoal)

Os sinais emitidos pelo cérebro podem ser elétricos, advindos dos impulsos nervosos; hemodinâmicos, com base no fluxo de sangue do órgão; e metabólicos, relativos à composição neuroquímica cerebral. Combinando os sinais captados, é possível criar mapas que mostram o funcionamento do cérebro, quais regiões estão envolvidas em uma determinada atividade ou estímulo e como um determinado fator pode influenciar essa dinâmica. 

As imagens são coletadas por ressonância magnética, tomografia óptica ou eletroencefalografia. Essas técnicas se baseiam em diferentes princípios físicos, como o uso de campos magnéticos, a difusão de luz infravermelha através do couro cabeludo e a captação dos sinais elétricos dos neurônios. Por captarem sinais distintos, a combinação de técnicas é frequente. É o caso do método EEG-fMRI, que combina a eletroencefalografia, mais precisa na indicação do momento em que um fenômeno ocorre, com a ressonância magnética, que mostra com maior clareza a região estimulada. 

foto mostra gabriela castellano e rickson mesquita mostrando os equipamentos utilizados nos exames
Gabriela Castellano: "Com um bom entendimento sobre essas medições, sabemos mais sobre os sinais cerebrais e o que esperar deles" (foto: Antonio Scarpinetti)

Segundo Gabriela Castellano, o estudo dos fenômenos físicos do cérebro favorece a identificação de padrões que tornam seu funcionamento mais previsível. "Buscamos entender qual a natureza dos eventos do cérebro. São sinais medidos através de fenômenos físicos complexos. Por exemplo, os sinais da ressonância são medidos por campos magnéticos que interagem entre si. Por isso, com um bom entendimento sobre essas medições, sabemos mais sobre os sinais cerebrais e o que esperar deles". 

Máquinas e cérebros

Um aspecto fundamental dos estudos em neurociência é a interdisciplinaridade. Ela exige dos pesquisadores familiaridade com diferentes campos do conhecimento e capacidade de desenvolver parcerias. Ao mesmo tempo, as descobertas impactam diversas áreas. "A neurofísica ultrapassa a interdisciplinaridade. Ela tem características de transdisciplinaridade. Chegamos a um grau em que, se o pesquisador não consegue lidar, de forma relativamente confortável, com diferentes áreas, como a física, a medicina, a computação, dificilmente será possível responder às questões que nos intrigam", avalia Rickson Mesquita, docente do IFGW e membro do grupo. 

foto mostra rickson mesquita manuseando um equipamento usado nos testes de neurofísica
Rickson Mesquita: "A neurofísica ultrapassa a interdisciplinaridade. Ela tem características de transdisciplinaridade" (foto: Antonio Scarpinetti)

Atualmente, o grupo se dedica a abordar a capacidade de interação entre cérebro, computadores e máquinas e ao desenvolvimento de tecnologias que auxiliem na geração de imagens, captação e processamento dos sinais emitidos pelo cérebro. "De modo particular, buscamos soluções para a medicina. Tentamos desenvolver tecnologias e verificar aspectos dos sinais cerebrais que, hoje, os equipamentos não conseguem medir", pontua Rickson. Os estudos envolvem pesquisadores de diferentes áreas e são realizados em parceria com outras unidades, como o Instituto de Computação (IC), a Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) e o Hospital de Clínicas (HC). 

Rickson explica que os equipamentos desenvolvidos para hospitais e clínicas suprem demandas específicas dos profissionais da saúde. Assim, o conhecimento obtido pelos estudos anatômicos e dinâmicos é aplicado na solução de problemas que surgem no contexto clínico. 

“Recentemente desenvolvemos uma tecnologia relacionada à Covid-19, um sistema capaz de monitorar a disfunção endotelial a partir da saturação de oxigênio, problema que pode acometer pacientes em casos mais graves. É um sistema a ser usado especificamente em UTIs, e que está em fase de validação clínica". Outra tecnologia criada pelo grupo e utilizada no HC da Unicamp é o monitor metabólico, que combina diferentes técnicas para medir o fluxo, a oxigenação sanguínea e o metabolismo cerebral de forma não invasiva. Ele facilita o trabalho de profissionais que atuam em unidades de terapia intensiva (UTI). 

Já as pesquisas com a interface cérebro-computador exploram o uso de sinais elétricos emitidos pelo cérebro para comandar dispositivos externos, como mover o cursor de um mouse. Mais do que a possibilidade de controlar o computador com a mente, os estudos são promissores para terapias de estimulação do sistema nervoso central. 

"Usamos um protocolo chamado Imagética Motora. Ele parte do princípio de que, quando você imagina um movimento do corpo, são ativadas regiões cerebrais muito similares às que atuam quando o movimento é de fato realizado. São áreas bem localizadas, no córtex motor, uma região no centro do cérebro, e os sinais são detectados com certa facilidade", explica Castellano. Nesses casos, a imaginação do movimento pode ser usada como recurso complementar ao trabalho motor, já que ela estimula a plasticidade cerebral. "Como são ativadas áreas do cérebro muito similares às relacionadas aos movimentos, ocorre uma reorganização dessas regiões e novas sinapses são criadas". 

fotos mostram equipamento usado para fazer eletroencefalografia e um voluntário dirigindo com a touca para fazer o exame
Avanço na tecnologia permite inserir os experimentos em neurofísica no cotidiano de voluntários, como na direção de um carro ou prática de esportes (fotos: Antonio Scarpinetti / acervo pessoal)

O desafio agora é criar equipamentos menores, que possam ser inseridos em experiências do cotidiano em que o cérebro executa uma tarefa ou recebe um estímulo. Por exemplo, para medir a atividade cerebral enquanto as pessoas dirigem ou praticam um esporte. "No cotidiano, o cérebro funciona de forma diferente de quando a pessoa é colocada em uma máquina de ressonância magnética. Não é a mesma coisa medir processos cognitivos em um ambiente natural”, comenta Rickson, que acredita que os estudos devem, com isso, tornar-se mais precisos, ampliando o espectro de aplicação das técnicas. “Há impactos em várias áreas, desde a forma como as crianças aprendem até as mudanças na memória conforme as pessoas envelhecem". 

Neurofeedbacks e realidade virtual

Uma das possíveis  aplicações da neurofísica é o chamado treinamento por neurofeedback, vertente da neurociência que ainda demanda pesquisas que comprovem sua eficácia. Ele se apoia na ideia de que o cérebro pode se automodular para desempenhar atividades a partir de feedbacks, geralmente estímulos visuais que mostram a tarefa sendo executada (como o movimento de um cursor para a direita ou para a esquerda em uma tela, por exemplo). Aplicando-se o conceito da imagética motora, o estímulo neural envolvido no movimento, aliado ao feedback visual, seria benéfico à plasticidade cerebral. 

Esse foi o estudo realizado por Carlos Stefano Filho em sua Tese de doutoramento, realizada no IFGW. Pesquisador de pós-doutorado ligado ao Grupo de Neurofísica, ele verificou o quanto a resposta cerebral ao treinamento por neurofeedback era observável por meio da eletroencefalografia. O trabalho recebeu o prêmio de melhor Tese do Instituto em 2021. "A ideia foi desenvolver um sistema de detecção da imaginação motora e devolver o feedback dessa atividade, para que isso pudesse orientar o desenvolvimento de estratégias. Em nosso projeto, o feedback ocorria por meio de um cursor na tela do computador, que se movia conforme os padrões de imaginação que esperávamos detectar", explica. 

foto mostra carlos stefano apresentando um poster em um evento científico
Pesquisa de Carlos Stefano Filho recebeu o prêmio de Melhor Tese do IFGW de 2021 (foto: acervo pessoal)

Por meio de ressonância magnética e eletroencefalograma, foi comparado o estímulo cerebral de três grupos de voluntários: os dois primeiros passavam pelo treinamento de neurofeedback, mas enquanto um deles recebia o feedback correspondente ao movimento do cursor (grupo ativo), o outro recebia um feedback não relacionado à tarefa executada (grupo sham, para avaliar o efeito placebo); o terceiro grupo não recebia feedback (grupo controle). 

"Comparados os três grupos quanto à melhora na capacidade de imaginação do movimento, não encontramos, ao longo das sessões, diferenças no grupo controle. No grupo ativo, que recebeu o treinamento, houve uma melhora para quase todos os sujeitos. Já no grupo sham, que recebia feedbacks diferentes, o resultado foi parcial", detalha Carlos. O experimento foi realizado com voluntários sem comprometimentos neuromotores. 

fotos mostram voluntário participando de teste da pesquisa com touca de eletroencefalograma
Testes foram realizados com voluntários divididos em três grupos. Resultados positivos foram verificados no grupo que recebeu o treinamento por neurofeedback (fotos: acervo pessoal)

“A ideia de incluir o neurofeedback em processos terapêuticos é engajar também o sistema nervoso central, não só o periférico, e avaliar benefícios adicionais. O próximo passo seria estender a pesquisa a pacientes com lesões neurocognitivas, vermos o que ocorre com os sinais emitidos pelo cérebro e otimizarmos um protocolo de reabilitação motora", aponta o pesquisador. 

Outra aplicação que reflete o caráter interdisciplinar da área é realizada por Alexandre Brandão, pesquisador de pós-doutorado do Grupo. Atuando em uma equipe multidisciplinar, ele desenvolve tecnologias de rastreamento corporal que podem auxiliar terapias de reabilitação motora e neurofuncional. Seu foco está na investigação de formas de interação humano-computador, a partir do uso de sensores e técnicas de visão computacional, que permitem a interação com ambientes virtuais. "Trabalho com o levantamento dos requisitos e funcionalidades dos sistemas em construção, na interface entre o desenvolvimento da tecnologia e sua aplicação, em colaboração com outros projetos de profissionais de reabilitação", explica. 

foto mostra alexandre brandão apresentando suas tecnologias em um evento
Alexandre Brandão (esq.) trabalha com o rastreamento de movimentos aliado à ambientes virtuais imersivos (foto: acervo pessoal)

A mais recente inovação está nos sensores chamados BSN, Biomechanics Sensor Node, desenvolvidos em parceria com o Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Telecomunicações (CPQD). Vestidos junto aos membros inferiores, eles rastreiam os movimentos de marcha estacionária e fornecem dados de sua amplitude, associados a ambientes virtuais imersivos, em que se utilizam óculos de realidade virtual. Com isso, pacientes podem vivenciar a tarefa de caminhar em um ambiente controlado, enquanto terapeutas recebem informações dos movimentos e identificam os ganhos motores gerados por uma atividade. 

Os primeiros recursos desenvolvidos utilizavam tecnologias de rastreamento de movimentos com sensores de câmera infravermelho, como o sistema Kinect, comum em vídeo games do tipo Xbox, da Microsoft. As imagens eram apresentadas em um monitor ou projetadas. Com a evolução da tecnologia e o advento dos óculos de realidade virtual, os sensores foram adaptados para captarem os movimentos diretamente dos membros dos pacientes. A primeira versão utilizava sensores de ultrassom, que transmitiam os sinais a uma placa eletrônica (arduino) fixada na cintura da pessoa. Com a incorporação de tecnologias inerciais, como as utilizadas em smartphones, foi possível desenvolver os BSNs. 

imagens mostram simulações de como os aparelhos BSN são utilizados e mapeiam os movimentos
Com os óculos de realidade virtual, pacientes conseguem interagir com ambientes imersivos e desempenhar tarefas, como atravessar a rua (imagens à esquerda). Os BSN são vestidos nos membros inferiores e rastreiam os movimentos da marcha estacionária (imagens: reprodução)

"Tratamos essas soluções como uma forma de entretenimento voltada às atividades físicas adaptadas. Elas podem ser usadas para o estímulo de idosos, por exemplo, prevenindo fragilidades, ou serem incorporadas a um tratamento de reabilitação ou de doença cognitiva", comenta. Nas terapias, os pacientes são estimulados a se deslocarem em um ambiente virtual e a desempenharem tarefas, como atravessar a rua, estimulando os membros inferiores. Também são propostos movimentos com os membros superiores, como na montagem de um quebra-cabeças virtual. Com base na imagética motora, ainda que o paciente tenha dificuldade para movimentar as próprias pernas, o que vê no ambiente virtual é um movimento normal. 

"Por mais que o movimento do membro comprometido seja reduzido, a resposta do sistema ao estímulo é normal. A pessoa se vê avançando normalmente. Isso estimula as redes neuronais associadas a este movimento que não foram lesionadas por um AVC, por exemplo”. Na avaliação funcional de um dos pacientes, que interagiu com alguns dos sistemas em um ambiente virtual não-imersivo por oito semanas, houve um aumento nas regiões do cérebro ativadas. "Consideramos como referência um ponto na Área 4 de Brodmann, associada ao córtex motor primário, e identificamos quais outras áreas estão ativas na mesma intensidade", explica. É possível ver em vermelho o aumento das áreas ativadas na imagem a seguir. 

imagem mostra reproduções de ressonâncias magnéticas, na esquerda há áreas em vermelho menores e na direita as mesmas áreas são maiores
À esquerda, imagens das regiões antes da interação com o ambiente virtual. As mesmas áreas do cérebro apresentam maior estimulação na imagem à esquerda, feita após oito semanas (imagem: reprodução)

Alexandre esclarece que isso poderia ter relação com outros fatores, demandando estudos com um número maior de indivíduos, mas os resultados já obtidos são promissores. O próximo desafio é desenvolver sistemas em que mais sensores possam ser utilizados para rastrear o corpo inteiro, possibilitando maior controle dos ambientes virtuais, reproduzindo atividades cotidianas e proporcionando mais autonomia aos pacientes.

“O desafio da neurorreabilitação é estimular a plasticidade cerebral, com outras áreas do cérebro assumindo o papel da área comprometida pela lesão. Dessa forma, esperamos ativar mais áreas de forma simultânea, inclusive parte das redes neuronais associadas ao controle do movimento que não foram lesionadas. Isso pode auxiliar o próprio cérebro na busca por caminhos que facilitem o controle neuromuscular e tragam a maior recuperação possível dos movimentos perdidos", analisa. 

Imagem de capa JU-online

foto mostra cabeça de manequim vestindo uma touca de eletroencefalografia