Pesquisador combina IA e microeletrônica para criar implantes neurais que combatem distúrbios cerebrais

Os implantes neurais podem ajudar a tratar distúrbios cerebrais, como a doença de Parkinson e a epilepsia, modulando diretamente as atividades anormais – e Xilin Liu, da Universidade de Toronto, está trabalhando com microeletrônica e inteligência artificial para tornar essa tecnologia emergente mais segura e inteligente.

“Os neurônios falam uns com os outros em parte por meio de sinais elétricose um implante neural terapêutico produz estimulação elétrica – como um marca-passo para o cérebro”, diz Liu, professor assistente da Faculdade de Ciências Aplicadas e Engenharia. “Em casos de tremores ou convulsões, a estimulação tenta restaurar os neurônios a um condição normal.

“É como se o estímulo transformasse o redes neurais liga e desliga – quase como reiniciar um computador, embora definitivamente não seja tão simples. Os cientistas ainda não entendem completamente como isso funciona.”

A equipe de Liu integra implantes neurais em chips de silício em miniatura pelo mesmo processo de fabricação de chips usados ​​nos computadores e smartphones atuais. Essa tecnologia, conhecida como CMOS para semicondutor de óxido metálico complementar, permite reduzir a Dimensões Físicas e consumo de energiaminimizando assim os riscos associados ao procedimento cirúrgico inicial do implante e uso a longo prazo.

“Desenvolvemos muitas novas técnicas de design microeletrônico, como estimulação elétrica de alta precisão com balanceamento de carga”, diz Liu. “Tentamos abordar o problema de muitos ângulos diferentes.”

Liu faz parte do centro de neurotecnologia CRANIA, uma colaboração entre a Universidade de Toronto e a University Health Network, que reúne engenheiros elétricos e de computação ao lado de neurocientistas, cientistas de dados e materiais e clínicos. Juntos, eles pesquisam maneiras de melhorar a saúde do cérebro e traçam caminhos alternativos de tratamento, especialmente para aqueles que não respondem bem aos medicamentos atuais.

Em um projeto recente, Liu e sua equipe buscaram alavancar o poder da IA ​​para maximizar a eficácia clínica dos implantes e minimizar os efeitos adversos da estimulação excessiva.

A equipe se voltou para um tipo de IA chamado aprendizado profundo (DL)—algoritmos que, depois de treinados, podem extrair informações de nível profundo quando confrontados com novos dados. Esses modelos provaram ser especialmente poderosos na identificação de biomarcadores ocultos muitas vezes negligenciados em abordagens convencionais e superaram os algoritmos convencionais ao detectar o momento ideal.

“A maioria dos implantes existentes produz estimulação elétrica a uma taxa constante, independentemente da condição do paciente”, diz Liu. “Com DL, podemos ativar os implantes neurais no momento ideal e somente quando necessário.”

No entanto, o alto custo computacional dos modelos de deep learning torna a integração um desafio, especialmente considerando que é essencial que todo o processamento seja executado localmente nos implantes.

“A nuvem forneceria mais poder de processamento, mas você não pode ter um implantar falha porque perde o serviço de telecomunicações – quando um paciente entra em um elevador ou avião, por exemplo”, diz Liu.

Para reduzir esse custo computacional, Liu e sua equipe desenvolveram técnicas para treinar e otimizar os modelos para a condição de cada paciente. Um estudo de caso recente mostrou que a detecção de crises epilépticas por aprendizado profundo em implantes neurais de baixa potência era comparável a algoritmos de última geração executados em computadores de alto desempenho. Este trabalho foi publicado em 2021 no Revista de Engenharia Neural.

Liu diz que a tecnologia de sua equipe pode ser usada em uma ampla gama de aplicações clínicas além da epilepsia, observando que até um bilhão de pessoas em todo o mundo sofrem de várias distúrbios cerebrais.

A necessidade de colaboração de mente aberta é algo que Liu pretende impressionar nos alunos de pós-graduação que fazem seu novo curso de neuromodulação, estreando neste outono.

“Há tanta coisa acontecendo no cérebro”, diz Liu. “Você precisa de uma gama de especialistas para entender e fornecer soluções para esses distúrbios, que só se tornarão mais comuns à medida que a expectativa de vida humana aumentar”.

Os alvos futuros incluem dor crônica, depressão e demências. Liu já está contemplando como as terapias de neuromodulação podem ajudar pessoas com doença de Alzheimer.

“O sono prejudicado tem sido associado à doença de Alzheimer, e muitas pessoas sofrem de diferentes níveis de distúrbios do sono”, diz Liu. “Estamos investigando técnicas de neuromodulação de circuito fechado para melhorar a qualidade do sono, reforçando ou inibindo certos ritmos cerebrais.

“O cérebro é bastante surpreendente.”