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Ano após ano, o ritmo das descobertas em neurociência é ao mesmo tempo empolgante e implacável. De mini-cérebros cultivados em laboratório à inteligência artificial que desvenda segredos evolutivos do cérebro humano, confira estas 7 das descobertas mais incríveis de 2021.
Uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia, em São Francisco, desenvolveu com sucesso um método que utiliza estimulação cerebral profunda (ECP) para tratar de forma adaptativa os sintomas de depressão somente quando eles aparecem. A estimulação cerebral profunda envolve o implante de eletrodos no cérebro para fornecer correntes elétricas que alteram a atividade cerebral.
Estudos anteriores tiveram sucesso limitado no tratamento da depressão com DBS porque os dispositivos só conseguiam fornecer estimulação elétrica constante em uma área específica do cérebro. No entanto, a depressão pode afetar diversas áreas cerebrais, e os sinais neurais da depressão podem aumentar e diminuir de forma imprevisível.
Com o objetivo de criar essencialmente um marca-passo para o cérebro, os cientistas decodificaram um novo biomarcador neural. Esse padrão específico de atividade cerebral prevê com eficácia o início dos sintomas. Com esse conhecimento, a equipe desenvolveu uma nova tecnologia de estimulação cerebral profunda (DBS) personalizada que só se ativa quando e onde reconhece esse padrão.
Esse tipo de terapia automática sob demanda é impressionante porque suas respostas funcionais são exclusivas tanto para o cérebro do paciente quanto para o circuito neural que causa a doença. Em seu primeiro teste, esse método personalizado de DBS foi aplicado a um paciente com depressão grave e obteve resultados excelentes. Quase imediatamente, os sintomas do paciente foram aliviados, e esse efeito se manteve a longo prazo.
Na era da COVID, em que a ansiedade e os problemas de saúde mental estão se tornando cada vez mais comuns, essa abordagem pode se revelar uma terapia inestimável, sem o uso de medicamentos, para centenas de milhões de pessoas.
Assim como as ondas de luz, os humanos só conseguem perceber um espectro relativamente pequeno das ondas sonoras que se propagam ao nosso redor. Normalmente, só conseguimos captar frequências entre 20 Hz e 20.000 Hz; acima disso, considera-se ultrassom. Essa é a faixa de frequência em que animais como os morcegos operam, e também a utilizada em exames médicos por ultrassom.
Um novo método que utiliza tecnologia sofisticada foi desenvolvido por cientistas da Universidade Aalto e resultou em um dispositivo que, basicamente, proporciona aos humanos uma audição comparável à dos morcegos. Isso inclui não apenas a capacidade de ouvir frequências muito acima de 20.000 Hz, mas também de discernir a direção e a distância das fontes sonoras. Para biólogos, por exemplo, isso permite rastrear morcegos em voo, que de outra forma seriam furtivos, e localizar suas posições.
O sistema funciona gravando ultrassom por meio de uma matriz esférica de microfones, que detecta sons ultrassônicos e usa um computador para traduzir o tom em frequências audíveis. Em seguida, reproduz as ondas sonoras convertidas em fones de ouvido em tempo real. A capacidade de perceber sons normalmente inaudíveis pode ter aplicações industriais valiosas, por exemplo, permitindo ouvir e localizar vazamentos de gás silenciosos.
Embora a neurociência seja um campo científico relativamente jovem e de rápido crescimento, a inteligência artificial (IA) é muito mais recente e também se desenvolve mais rapidamente. O potencial da combinação desses dois campos científicos foi revelado por pesquisadores do MIT.
Utilizando aprendizado de máquina, eles descobriram que redes neurais artificiais podem aprender a sentir cheiros em poucos minutos, imitando os circuitos olfativos do cérebro de mamíferos. Isso é profundo porque o algoritmo utilizado não tinha conhecimento dos milhões de anos de evolução necessários para o desenvolvimento biológico do olfato.
No entanto, surpreendentemente, a rede neural artificial replicou a atividade biológica do olfato com tanta precisão que revelou que a rede olfativa do cérebro é matematicamente otimizada para sua função.
Essa imitação precisa da estrutura natural dos circuitos cerebrais por meio de aprendizado de máquina independente pode anunciar uma nova era, na qual a IA nos ensinará os segredos da evolução biológica. O olfato é o ponto de partida em 2021, mas quem sabe aonde isso pode nos levar…
Pesquisadores da Universidade da Califórnia em São Francisco desenvolveram um novo tipo de neuroprótese de fala para pacientes com paralisias que os impedem de falar. O método foi demonstrado com sucesso em um homem com lesão grave no tronco cerebral, que causou paralisia em todo o corpo.
De forma notável, funciona detectando sinais cerebrais relacionados à fala que controlam as cordas vocais. Quando falamos, as cordas vocais requerem instruções motoras complexas para articular a grande variedade de sons que usamos em uma conversa. Mesmo quando não conseguimos nos mover, esses sinais ainda podem ser enviados pelo cérebro.
Utilizando gravações cerebrais de pacientes com epilepsia, os cientistas desenvolveram um método para decodificar em tempo real as instruções enviadas aos músculos vocais, transformando-as em palavras. A partir desses padrões neurais, eles conseguiram discernir, de forma confiável, 50 palavras comuns diferentes sempre que o paciente as pensava.
Tudo o que era necessário era que o paciente usasse uma matriz de eletrodos de alta densidade para capturar e registrar a atividade neural, que captava os sinais do córtex motor da fala. Isso permitiu a tradução de até 18 palavras por minuto com 93% de precisão. A vantagem para o paciente era que ele simplesmente precisava agir como se estivesse falando de verdade e conseguia comunicar centenas de frases diferentes a partir de um vocabulário de 50 palavras.
Embora essa descoberta pareça se limitar a pacientes paralisados, todos nós experimentamos paralisia todas as noites quando sonhamos (a menos que sejamos sonâmbulos). Se suficientemente desenvolvida, essa abordagem poderia, por exemplo, abrir caminho para a tradução dos nossos próprios pensamentos enquanto dormimos!
Tecnicamente chamados de "organoides cerebrais", os mini-cérebros podem ser cultivados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas. Essas células-tronco podem ser retiradas da pele ou do sangue de uma pessoa e têm o potencial de se transformar em qualquer tipo de célula. A vantagem é que estruturas celulares normalmente muito difíceis de acessar podem, em princípio, ser cultivadas e isoladas para estudo. Isso é especialmente relevante para o cérebro, embora os mini-cérebros anteriores apresentassem estruturas funcionais limitadas.
A descoberta deste ano, feita por cientistas da UCLA, catapultou a complexidade estrutural ao cultivar agregados de organoides para formar estruturas cerebrais tridimensionais complexas. Os pesquisadores utilizaram células-tronco de pacientes com síndrome de Rett (uma condição que causa convulsões) e conseguiram cultivar mini-cérebros com atividade funcional semelhante a partes do cérebro humano. Isso permitiu que eles observassem, de forma segura e bem-sucedida, padrões de atividade elétrica que se assemelham ao início de convulsões.
Esta pesquisa demonstra, pela primeira vez, que alguns aspectos da função cerebral podem ser isolados e estudados em laboratório até o nível de células vivas individuais. A principal vantagem é que esses mini-cérebros podem ser cultivados para replicar aspectos de funções cerebrais normais e patológicas, bem como para testar medicamentos e tratamentos sem riscos para humanos ou animais.
A dimensão do cérebro humano é enorme, portanto ainda existem limitações claras em termos da complexidade das estruturas cerebrais que podem ser estudadas, mas é evidente que este domínio emergente da neurociência tem um potencial digno de ficção científica.
Com o crescimento exponencial da capacidade computacional nas últimas décadas, os microchips têm ficado cada vez menores a cada ano. Neurocientistas da Universidade Brown, , desenvolveram um computador sem fio tão pequeno que pode facilmente passar despercebido pelo olho humano. Apelidados de "neurogrãos" — por terem aproximadamente o tamanho de um grão de sal —, eles foram desenvolvidos para rastrear e monitorar a atividade cerebral.
Esses computadores ultraminúsculos são capazes de registrar a atividade elétrica de neurônios próximos e transmitir seus dados sem fio. O objetivo era desenvolver um novo tipo de sistema de interface cérebro-computador (ICC), onde uma rede de mini-sensores pudesse rastrear coletivamente aspectos significativos da atividade cerebral e enviar as informações para um centro próximo.
Em um experimento de prova de conceito, os pesquisadores implantaram uma rede para registrar com sucesso a atividade neural de um roedor com uma precisão muito maior do que jamais se conseguiu. Esse registro de sinais cerebrais com detalhes sem precedentes ainda está em seus estágios iniciais, mas o avanço tecnológico é muito promissor para a conversão de ondas cerebrais em ações úteis no mundo real sem qualquer esforço físico.
Este ano, um novo tipo de matriz de microeletrodos foi utilizado para criar uma forma de visão artificial por meio de uma prótese visual. Cientistas da Universidade de Utah, no Centro Oftalmológico John A. Moran, construíram o dispositivo para registrar e estimular a atividade neuronal no córtex visual.
Implantado no olho, o dispositivo recebe informações visuais através de óculos com uma pequena câmera de vídeo integrada, e os dados são processados por um software especializado. O dispositivo ativa então os neurônios da retina para produzirem fosfenos, como se estivessem recebendo pontos de luz. Isso permite que a mente perceba imagens básicas de linhas e formas.
Testado em um paciente completamente cego, este método provou ser eficaz e não apresentou complicações decorrentes da cirurgia ou da estimulação neuronal. Neste primeiro teste, foi utilizado apenas um único conjunto de eletrodos. No entanto, o próximo objetivo é usar de 7 a 10 conjuntos para fornecer imagens mais detalhadas que permitam que pessoas cegas naveguem visualmente pelo mundo.
Uma nova classe de "moléculas dançantes" foi aplicada por pesquisadores da Universidade Northwestern para reparar tecidos em lesões graves da medula espinhal e reverter com sucesso a paralisia. A "dança" consiste em manipular o movimento dessas moléculas para que elas consigam alcançar receptores celulares normalmente inacessíveis, estimulando-os a iniciar o processo de reparo do tecido nervoso.
Essas moléculas aparentemente mágicas funcionam desencadeando uma cascata de sinais, estimulando a regeneração dos axônios e ajudando os neurônios a sobreviverem após uma lesão, incentivando o nascimento de diversos novos tipos de células. Isso, por sua vez, favorece o crescimento de vasos sanguíneos perdidos, essenciais para a cicatrização celular.
Testada em ratos, uma única injeção da terapia molecular permitiu que os animais paralisados voltassem a andar em menos de quatro semanas. De forma bastante conveniente, 12 semanas depois (bem depois da recuperação completa), os materiais se biodegradam, transformando-se em nutrientes para as células sem efeitos colaterais, desaparecendo naturalmente do organismo.
A realidade virtual (RV) tem sido usada por psicofísicos há décadas para investigar como percebemos as informações sensoriais. Este ano, pesquisadores da Universidade de Basel, a universidade mais antiga da Suíça, desenvolveram um aplicativo de realidade virtual para tratar a fobia de altura.
Chamado Easyheights, o software compatível com smartphones oferece terapia de exposição usando imagens em 360° de locais reais. Usando um headset de realidade virtual, os usuários ficam em uma plataforma que começa a um metro do chão e sobe progressivamente à medida que se acostumam com cada nível de altura. O sistema funciona aumentando a exposição sensorial à altura sem aumentar o nível de medo.
Um ensaio clínico demonstrou a eficácia dessa forma imersiva de tratamento, produzindo reduções significativas na fobia em situações reais de altura. Os benefícios foram percebidos com apenas quatro horas de treinamento em casa. Essa descoberta mostra como a combinação do conhecimento da neurociência com as tecnologias atuais pode melhorar clinicamente a qualidade de vida das pessoas de maneiras facilmente acessíveis.
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Uma discussão baseada em evidências sobre se atividades como palavras cruzadas e Sudoku melhoram significativamente a saúde cerebral, esclarecendo o que elas promovem, o que não promovem e por que seus benefícios são frequentemente mal compreendidos.
Confira essas excelentes informações sobre o papel da neurociência no desempenho esportivo.
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