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Para onde o mundo vai

Para onde o mundo vai

Método inovador que traduz pensamentos nos aproxima da prótese cerebral

Mônica Matsumoto

2016-05-20T19:04:00

16/05/2019 04h00

Pesquisadores da Universidade da Califórnia São Francisco (UCSF) e Berkeley foram capazes de decodificar os sinais do cérebro em estímulos precisos nos músculos que articulam a voz. Essa pode ser a ponte para a recuperação da fala em algumas doenças neuromusculares! Os cientistas Gopala Anumanchipalli, Josh Chartier e Edward Chang publicaram em artigo recente na revista Nature o método pioneiro nessa tradução cérebro-máquina-voz.

Para pessoas com comprometimento motor, é bem importante melhorar essas limitações neurológicas. Tarefas como responder a perguntas simples, se locomover ou acionar uma prótese podem ter o auxílio da máquina. Esse é o campo de pesquisa da interface homem-máquina. A interface nada mais é do que um tradutor. No exemplo da prótese, imagine o caso de um soldado que perdeu totalmente um braço em campo de batalha. A prótese de braço responde a comandos, que podem vir de um músculo como o peitoral, ou sinais elétricos vindos diretamente do cérebro. Esses sinais são interpretados computacionalmente, e traduzidos em um sinal de estímulo na prótese. Dessa maneira, um braço artificial pode efetivamente ser controlado e essa prótese irá desempenhar as funções de um braço para esse soldado.

Figura 1: Desenho esquemático de interface homem máquina. Adaptado de Schalk.org

O controle da voz, entretanto, é ainda um sonho para pessoas com doenças motoras limitantes graves como a síndrome do encarceramento, esclerose lateral amiotrófica avançada, derrame tronco cerebral, ou ainda com perda total de controle muscular como pacientes com paralisia cerebral grave. Com essa interface cérebro-máquina-voz, essas pessoas poderiam eventualmente ter alguma função vocal recuperada.

A vocalização é uma tarefa extremamente complexa e envolve um conjunto de mais de 100 músculos entre os da laringe, lábios, língua e mandíbula, sem contar o diafragma que controla o ar. A posição da língua, a articulação dos lábios, o controle das cordas vocais são exemplos de acionamentos para a fala. São movimentos finos dos músculos que geram as palavras, fonemas e encadeamento da voz. Apesar de parecer uma atividade fácil, a fala é uma ação muito difícil.

A novidade deste estudo é que os cientistas traduziram os sinais elétricos em dois estágios: um para o conjunto de músculos vocais e o outro para o som da fala em si. Nesse novo procedimento, o estágio intermediário do conjunto de vocalização promoveu uma melhora do resultado final, que é o sinal de fala.

 

Aquisição de sinais, inteligência artificial e som

Neste estudo, os cientistas analisaram os sinais do cérebro durante a vocalização. Esses sinais eram provenientes de um equipamento com alta densidade de eletrodos, implantados invasivamente em pacientes com epilepsia. Os pacientes leram mais de 400 frases padronizadas durante o experimento. E os cientistas também aproveitaram os dados de um banco de dados denominado MNGU0, que descreve todo o movimento dos lábios, laringe, língua e mandíbula com diversos sensores. É a informação mais complexa dos músculos que articulam a voz.

Uma das sacadas foi usar uma rede neural apropriada para as sentenças, que é uma fala ao longo do tempo. Chamada de rede neural recorrente, essa técnica de inteligência artificial se mostrou robusta para os dados da proposta. Com a rede neural, o processamento de frases desses pacientes traduziu bem a complexidade da articulação vocal.

A tradução dos dados articulatórios para a fala em si também foi bem sucedida, e a fala sintetizada a partir dos movimentos foi bem entendida por ouvintes que participaram do último teste de compreensão.

Figura 2: Interface homem máquina para reprodução de voz. Fonte: Nature News.

O futuro é a neuroprótese

Esse trabalho foi o primeiro a propor uma fase intermediária de tradução neuro-máquina-voz, que representa o complexo conjunto de músculos do aparelho vocal.

Anteriormente, estudos como o de Niels na revista Psychophysiology foram extremamente bem sucedidos para traduzir numa interface homem máquina os sinais sinápticos em fala. A desvantagem é que essa tradução só pode ser usada com uma prótese computadorizada de fala, que emite um som sintetizado. Enquanto que, no trabalho de Anumanchipalli, a prótese pode ser o estímulo neuromuscular, ou seja, o paciente usar seu próprio aparelho vocal para falar. Isso é bastante importante na recuperação da função da fala e na interação social.

Assim, para pacientes com a função muscular preservada, e limitações de neurotransmissão, é possível vislumbrar uma ponte para a fala. A neuroprótese pode ser um caminho real!

** Este texto não reflete, necessariamente, a opinião do UOL

Sobre os autores

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, ela tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. Monica é formada em engenharia pelo ITA e doutora em ciências pela USP, e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi é Agente de Patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO) e tem doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de Engenheiro de Computação pelo ITA. Atualmente, ele trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é um estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, Shridhar teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Sobre o blog

Novidades da ciência e tecnologia, trazidas por brasileiros espalhados pelo mundo fazendo pesquisa de ponta. Um espaço para discussões sobre os rumos que as novas descobertas e inovações tecnológicas podem trazer para a sociedade.