Interface de comunicação cérebro/computador
Autor: Leo | Publicado: 2011-04-05T17:43:00-07:00



O computador já pode ser operado pela mente  humana. Cientistas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo  (USP) elaboraram um software que decodifica os sinais cerebrais  responsáveis pelos movimentos de esquerda e direita realizados pela mão  do homem e, com isso, conseguiram desenvolver a primeira interface de  comunicação cérebro/computador da América Latina. 

A cada movimento do corpo humano corresponde um sinal específico no  cérebro. Os cientistas da USP usaram equipamentos de eletroencefalograma  para digitalizar os sinais cerebrais ligados aos movimentos de esquerda  e direita produzidos pela mão do homem e criaram um banco de dados para  catalogá-los no computador. O processamento digital é feito por meio de  um modelo de cálculo matemático denominado rede neural artificial,  capaz de separar os comandos de direita e esquerda a partir da memória  do banco de dados. Além disso, o sistema pode decodificar novos sinais  com uma margem mínima de erro. "Em testes com voluntários, a média de  acerto foi de 90%", relata o físico Ernane José Xavier, coordenador da  pesquisa. "O computador aprende com os exemplos do banco, mas depois  pode identificar os sinais sozinho." 

Para coletar os 900 sinais que formaram a base de dados, Ernane contou  com a colaboração de 40 voluntários. Cada um deles passou por dois meses  de sessões experimentais. Uma vez constituído o banco, os voluntários  se submeteram a um treinamento para se familiarizarem com o sistema e  aprenderem como operá-lo. 

A conexão entre a pessoa e o computador é feita por meio de eletrodos em  contato com regiões específicas do cérebro. No monitor, é visto um  círculo branco sobre um fundo escuro. O usuário deverá, então, imaginar  que está movendo o círculo para a esquerda ou para a direita, como se  utilizasse um mouse. O resultado pode ser observado na tela: o círculo  caminha de acordo com o comando mental da pessoa. "Conseguimos provar  que o cérebro e o computador podem se entender", afirma Ernane. 

Segundo o pesquisador, nos Estados Unidos e na Europa, outros dois  grupos de cientistas desenvolvem o mesmo tipo de interface, mas nenhum  dos projetos está em estágio avançado. Apesar disso, o físico brasileiro  é otimista: "Os próximos três anos podem trazer muitas surpresas na  área de neurocomputação. Estamos evoluindo depressa." 

Na tela de um computador, um círculo branco com cerca de 15 centímetros  de diâmetro irá obedecer as ordens do usuário, que serão emitidas na  forma de pensamentos: esquerda ou direita. Em estudos semelhantes  realizados numa universidade da Áustria, a porcentagem de acerto chegou a  89%. "Aparentemente, o círculo obedece os comandos do usuário de acordo  com sua capacidade de concentração", diz o físico e mestre em  Biofísica, Ernane José Xavier Costa, doutorando do LCS da Poli. A  comunicação homem/máquina é feita por meio de eletrodos colocados na  cabeça do usuário. "Obedecemos a um sistema internacional de disposição  de eletrodos que é o mesmo usado para o EEG (Eletroencefalograma)",  explica Xavier. 

"O que nós fizemos foi um software de computador que tem uma bolinha no  centro dele. A pessoa se concentra em movimentar essa bolinha na tela do  computador. Os eletrodos já estão colocados na cabeça da pessoa na  posição c3 e c4. É como se a pessoa estivesse fazendo um exame de  eletroencefalografia. É simples. Os eletrodos são colocados na parte  alta do couro cabeludo (c3 e c4). Eles são colocados nessa região porque  na literatura científica mostra que há uma relação dessa parte do  cérebro com os movimentos motores. Nós fizemos um estudo detalhado, onde  foram utilizados 32 canais sobre todo o couro cabeludo e constatamos  que na posição (c3 e c4) é onde há maior separabilidade. São três  eletrodos colocados na cabeça: um de cada lado (na parte alta c3 e c4) e  um terceiro de referência, que fica na orelha e que funciona como se  fosse um aterramento. Esse da orelha é necessário porque é uma  amplificação diferencial então é necessário ter um eletrodo de  referência. " 

"O que é novo no meu trabalho é mostrar que essas técnicas de  processamento digitais provam que há uma separabilidade nos sinais  cerebrais quando a pessoa imagina um movimento ou para a esquerda ou  para a direita. Na revista Nature do ano passado há uma reportagem que  conta que indivíduos tetraplégicos poderiam escrever usando sinais  cerebrais. Qual é a diferença entre o paradigma que eles utilizam e o  meu? É que lá eles treinavam as pessoas para mudarem seus padrões  neurocerebrais. E no meu eu treino o computador, treino uma rede neural  para aprender essas variações". A Revista Medical Engineering &amp;  Physics de junho de 2000, volume 22, número 5, comenta o estudo do  professor na página 345. Eles chamam de "discriminação entre a  imaginação dos movimentos da mão esquerda e direita usando uma  representação gaussiana adaptativa." 

O Nebrasp (Processamento de Sinais Cerebrais usando Redes Neurais) é  dividido em três estágios. No primeiro, acontece a coleta de dados do  usuário que será cadastrado no sistema. Forma-se então a base de dados,  com os sinais cerebrais (esquerda e direita). "Nesta fase, o software  realiza a coleta e armazenagem dos dados", descreve Xavier. Em seguida,  acontece a análise da correlação entre os dois dados (esquerda e  direita) para verificar se são semelhantes ou separáveis. "Este processo  utiliza técnicas avançadas de pré-processamento de sinais, com redes  neurais artificiais, o que resulta na análise estatística de erros e  acertos. A porcentagem de erros e acertos permitiu escolher a técnica  que seria utilizada. 

"Até o momento, vem sendo aplicado o Modelo Autoregressivo de Média  Móvel (ARMA) " implementado por meio de uma rede neural artificial  polinomial e pela Densidade Espectral de Potência (DSP) " que atingiu a  80% de resultados positivos utilizando a rede neural do tipo LVQ (Learn  Vector Quantisation), que encontra similaridades nos sinais, e a MLP  (Multilayer Perceptrons), que classifica os sinais", descreve o  pesquisador. A rede neural extrai parâmetros e é treinada com os sinais  cerebrais (esquerda e direita). "Atualmente, estamos estudando a  separabilidade. Posteriormente, o usuário cadastrado tentará mover o  círculo. Com as mãos colocadas sobre uma mesa, o usuário imagina que  está pegando o círculo e movendo-o, para a esquerda ou para a direita.  Estes sinais são usados, posteriormente, para analisar se são ou não  separáveis", explica Xavier. 

O equipamento foi todo desenvolvido no LCS da Poli. No início das  pesquisas houve colaboração da Escola Paulista de Medicina, que analisou  alguns sinais cerebrais. Em breve, o sistema deverá ser reforçado com a  aquisição de um capacete especial para a captação de sinais cerebrais  com 32 canais o que, segundo Xavier, favorecerá no desenvolvimento das  pesquisas. "Estamos abrindo um campo de pesquisas inédito no Brasil e,  até agora, conseguimos provar que os sinais cerebrais podem comandar um  sistema", avalia. 

Ernane  José é Bacharel em Fisica pela Universidade Federal de Viçosa (1992),  Mestre em Física pelo Instituto de Física da Universidade de São Paulo  (1995) e Doutor em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da  Universidade de São Paulo (2000). Em 2006 Obteve o título de Livre  Docencia pela Universidade de São Paulo onde atua como professor  coordenando o Laboratório de Física Aplicada e Computacional (LAFAC) na  Faculdade de Zootecnica e Engenharia de Alimentos. Tem experiência na  área de Bioengenharia e instrumentação eletronica, com ênfase em  Processamento de Sinais Biológicos, atuando principalmente nos seguintes  temas: Processamento Digital de Sinais, Redes Neurais Artificiais e  Instrumentação Eletronica aplicada à experimentação e monitoração de  sistemas biológicos.