Enviar mensagens de texto pode não ser mais rápido do que falar, mas para muitos de nós é uma maneira natural de se comunicar.
Graças a uma nova interface cérebro-computador (BCI), pessoas com paralisia agora podem fazer o mesmo – com um toque especial. Ao imaginar os movimentos de escrever cartas, um homem com lesão na coluna foi capaz de traduzir pensamentos em texto, a uma velocidade que rivaliza com a digitação com o polegar em um smartphone. A 90 caracteres por minuto e uma precisão de mais de 90 por cento após a autocorreção, o sistema supera todos os registros realizados anteriormente com implantes neurais.
O crux é um algoritmo baseado em uma rede neural popular e muito poderosa – rede neural recorrente (RNN) – além de alguns truques da comunidade de aprendizado de máquina. O resultado é um implante neural que usa IA para converter sinais elétricos do cérebro, gerados quando alguém imagina escrita à mão em texto que é exibido em um computador em tempo real.
“Isso pode ajudar a restaurar a comunicação em pessoas que estão gravemente paralisadas ou‘ presas”, disse o autor do estudo, Dr. Frank Willett, do Laboratório de Próteses Neurais de Stanford. “Deve ajudar as pessoas a se expressarem e compartilharem seus pensamentos. É muito emocionante.”
“Mindtexting” pode ser apenas o começo. O estudo sugere que, contra a crença comum, a IA parece ser melhor na decodificação de sinais cerebrais que fundamentam nossos comportamentos mais complexos, em vez de simples – um convite para reimaginar o potencial de uma simbiose cérebro-computador.
“Embora ainda haja muito trabalho a ser feito, o estudo de Willett e colegas de trabalho é um marco que amplia o horizonte das aplicações iBCI [interface invasiva cérebro-computador]”, disseram os drs. Pavithra Rajeswaran e Amy Orsborn, da Universidade de Washington, que não participaram do estudo. “Como ele usa métodos de aprendizado de máquina que estão melhorando rapidamente, conectar os modelos mais recentes oferece um caminho promissor para melhorias futuras.”
Digitando sem as mãos
O estudo faz parte do lendário projeto BrainGate, que liderou o desenvolvimento de interfaces neurais na última década para restaurar a comunicação em pessoas paralisadas. Para ser claro, esses “implantes” são fiéis ao seu nome: eles são microarranjos de minúsculos eletrodos em um chip que é inserido cirurgicamente na camada superior do cérebro.
BrainGate tem muitos sucessos alucinantes. Um é um implante que permite às pessoas pilotar braços robóticos com o pensamento. Outro sucesso ajudou pessoas paralisadas a moverem o cursor do computador com suas mentes em um tablet Android, expandindo seu universo digital para toda a esfera de aplicativos Android e, claro, e-mail e Google.
Tudo isso é possível porque o processador central, o córtex motor, ainda está intacto mesmo após a paralisia, pelo menos para movimentos relativamente simples, como alcançar ou agarrar. É como cortar o cabo do roteador sem fio: você perde o acesso online, mas a rede em si ainda está lá. Os implantes neurais tocam diretamente na fonte – os sinais elétricos que sustentam cada movimento nosso – decodificam-nos em uma linguagem que os computadores entendem e os usam para controlar outra saída: uma mão robótica, exoesqueleto ou um cursor na tela.
O problema? Usar sua mente para controlar um cursor para acertar letras em um teclado digital é terrivelmente lento. O implante de maior sucesso até agora tem em média 40 caracteres por minuto e requer cirurgia e treinamento. Mesmo um teclado de rastreamento ocular disponível no mercado que é não invasivo pode permitir que pessoas com paralisia digitem um pouco mais rápido.
O novo estudo teve uma abordagem completamente diferente: jogue fora o teclado.
Uma centelha de gênio
O participante do estudo, apelidado de T5, é um participante de longa data do BrainGate.
Em 2007, T5 sofreu um incidente traumático que danificou sua medula espinhal e o impediu de mover-se abaixo do pescoço. Em 2016, o Dr. Jaimie Henderson, um neurocirurgião de Stanford, implantou dois chips microarray na “área da mão” do giro pré-central esquerdo de T5, uma parte do cérebro que normalmente nos ajuda a planejar e controlar o movimento. Cada chip continha 96 microeletrodos para acessar a atividade elétrica do cérebro. Esses sinais neurais eram então enviados a um computador por meio de fios para processamento posterior.
É aqui que entra a magia. Os neurônios são um grupo barulhento e decifrar sinais específicos – códigos neurais – que controlam movimentos únicos é incrivelmente difícil. Em parte, é por isso que atualmente é impossível para alguém imaginar uma carta e tê-la “lida mentalmente” por uma configuração BCI. Os sinais elétricos do cérebro que codificam para letras diferentes são muito sutis para qualquer algoritmo decodificar com precisão.
A solução alternativa do novo estudo é inovadora e totalmente brilhante. Como o processo de escrever letras do alfabeto é único para cada letra, raciocinou a equipe, ele pode acionar sinais neurais diferentes o suficiente para um algoritmo distinguir qual movimento imaginado – e seu sinal cerebral associado – corresponde a qual letra.
Para começar, o paciente T5 primeiro traçou uma letra individual repetidamente em sua mente (impressa, não cursiva). Embora sua mão estivesse completamente imóvel, disseram os autores, ele “relatou a sensação de que uma caneta imaginária em sua mão se movia fisicamente e traçava as formas das letras”. Em seguida, T5 passou horas imaginando escrever grupos de frases aleatórias.
Ao mesmo tempo, seus implantes capturavam sinais neurais relacionados à escrita de cada letra, que eram “notavelmente consistentes”. Os dados foram então usados para treinar um tipo de rede neural artificial chamada rede neural recorrente (RNN), que é “especialmente boa para prever dados sequenciais”. Como os RNNs tendem a ser famintos por dados, a equipe usou um truque chamado aumento de dados que reorganizou os sinais neurais anteriores, essencialmente gerando dados artificiais para fortalecer o algoritmo. Eles também injetaram algum ruído nos dados, com a esperança de que o eventual BCI fosse mais robusto contra pequenas mudanças na atividade cerebral.
Dominância do Mind-Texting
Com o tempo, o RNN foi capaz de decodificar sinais neurais e traduzi-los em letras, que eram exibidas na tela do computador. É rápido: em meio segundo, o algoritmo pode adivinhar qual letra T5 estava tentando escrever, com 94,1% de precisão. Adicione alguma função de autocorreção comum que está em todos os smartphones e a precisão aumentou para mais de 99%.
Quando solicitado a copiar uma determinada frase, T5 foi capaz de “texto mental” em cerca de 90 caracteres por minuto (cerca de 45 palavras por estimativa), “a maior taxa de digitação que já foi relatada para qualquer tipo de BCI”, escreveu a equipe e uma melhoria dupla em relação às configurações anteriores. Sua digitação em estilo livre – respondendo a perguntas – em geral combinou em desempenho e atingiu a velocidade média de mensagens de texto com o polegar de sua faixa etária.
“O estudo de Willett e seus colegas de trabalho começa a cumprir a promessa das tecnologias BCI”, disseram Rajeswaran e Orsborn, não apenas para mensagens mentais, mas também para o que vem a seguir
A ideia de explorar algoritmos de aprendizado de máquina é inteligente, sim, porque o campo está melhorando rapidamente – e ilustrando outro elo sólido entre a neurociência e a IA. Mas talvez mais importante, o desempenho de um algoritmo depende de bons dados. Aqui, a equipe descobriu que a diferença de tempo entre escrever cartas, algo bastante complexo, é o que fazia o algoritmo funcionar tão bem. Em outras palavras, para futuros BCIs, “pode ser vantajoso decodificar comportamentos complexos em vez de simples, especialmente para tarefas de classificação.”
O novo sistema ainda não está pronto para as clínicas. Ele terá que ser testado em outras pessoas e ter algumas funções comuns de digitação adicionadas, como excluir ou editar texto. A equipe também deseja adicionar a capacidade de texto mental de letras maiúsculas e símbolos.
Mas o novo BCI não precisa funcionar sozinho. Outros BCIs que traduzem atividades neurais da fala em texto já existem, e é concebível para uma pessoa potencialmente alternar entre os dois métodos – escrita mental e fala – para se comunicar com outras pessoas. “Ter esses dois ou três modos e alternar entre eles é algo que fazemos naturalmente [na vida diária]”, disse a Dra. Krishna Shenoy da Universidade de Stanford, que supervisionou o estudo com o Dr. Henderson.
Mas isso é tudo para o futuro. O próximo passo imediato, disseram os autores, é trabalhar com pacientes que não falam, como pessoas que perderam a capacidade devido a um derrame ou doenças neurodegenerativas, ou aqueles que estão conscientes, mas não conseguem se mover, e restaurar sua capacidade para interagir com o mundo exterior. “A abordagem dos autores trouxe interfaces neurais que permitem a comunicação rápida muito mais perto de uma realidade prática”, disseram Rajeswaran e Orsborn.
