Neuropróteses: dos distúrbios sensório-motores aos cognitivos

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 14 (2023) Citar este artigo

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A neuroprótese é um campo multidisciplinar na interface entre as neurociências e a engenharia biomédica, que visa substituir ou modular partes do sistema nervoso que são perturbadas em distúrbios neurológicos ou após lesões. Embora as neuropróteses tenham evoluído constantemente ao longo dos últimos 60 anos no campo dos distúrbios sensoriais e motores, a sua aplicação às funções cognitivas de ordem superior ainda está numa fase relativamente preliminar. No entanto, uma série recente de estudos de prova de conceito sugere que as estratégias de neuromodulação eléctrica também podem ser úteis no alívio de alguns défices cognitivos e de memória, em particular no contexto da demência. Aqui, revisamos a evolução das neuropróteses desde os distúrbios sensório-motores até os cognitivos, destacando princípios comuns importantes, como a necessidade de sistemas neuroprotéticos que permitam interações bidirecionais multissítios com o sistema nervoso.

As oscilações neurais são onipresentes em todo o sistema nervoso, auxiliando nas funções sensoriais, motoras e cognitivas no cérebro e na medula espinhal1. Essas oscilações são frequentemente interrompidas em distúrbios neurodegenerativos e neuropsiquiátricos2, após acidente vascular cerebral3, lesão cerebral traumática4 ou lesão medular (LM)5. Apesar dos diferentes mecanismos subjacentes, as oscilações neurais anormais ou mesmo abolidas parecem ser uma marca registrada dos distúrbios neurológicos e desempenhar um papel causal nos seus sintomas comportamentais6. Nos últimos anos, dispositivos bioeletrônicos que fazem interface com o sistema nervoso e afetam ou restabelecem essas oscilações tornaram-se uma alternativa aos tratamentos farmacológicos, abrindo uma nova era da medicina composta por eletrocêuticos, Interfaces Cérebro-Computador ou Cérebro-Máquina (BCI/BMI), e neuropróteses7,8,9,10.

Esses dispositivos bioeletrônicos agora podem tratar alguns sintomas motores da doença de Parkinson (DP)11 ou restaurar a função motora após LME12,13,14. No entanto, os distúrbios cognitivos ainda escapam a esta nova modalidade terapêutica, devido à complexidade intrínseca dos mecanismos neurais subjacentes à cognição e aos desafios tecnológicos para modular as redes associadas. Sejam resultantes de lesões cerebrais ou de doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer (DA), os distúrbios cognitivos ainda não possuem tratamentos farmacológicos eficientes, representam um importante problema de saúde pública e poderiam potencialmente se beneficiar de estratégias de neuromodulação15.

Aqui, revisamos o estado atual da arte em neuromodulação e abordagens neuroprotéticas para distúrbios sensório-motores e cognitivos, com foco em neurotecnologias invasivas testadas em primatas não humanos (NHP) e humanos. Primeiro, introduzimos o conceito de neuropróteses motoras para deficiências motoras resultantes de acidente vascular cerebral ou lesão medular, e neuropróteses somatossensoriais para fornecer feedback sensorial após amputação ou paralisia de membros. A seguir, apresentamos a estimulação cerebral profunda (ECP) para sintomas motores e cognitivos da DP. Discutiremos então as oscilações neurais que caracterizam as funções cognitivas, especialmente aprendizagem e memória, e suas alterações nos distúrbios de memória. Isto é seguido por um estado da arte em abordagens de neuromodulação para DA e outras deficiências de memória. Finalmente, apresentamos a hipótese atraente de que os déficits cognitivos se beneficiariam particularmente com o desenvolvimento de uma nova geração de sistemas neuroprotéticos que visam oscilações da rede cerebral em larga escala e facilitam as funções neurológicas associadas.

As neuropróteses motoras referem-se a um tipo particular de neuropróteses que visam restaurar a função motora por estimulação elétrica das estruturas envolvidas na geração do movimento (músculos, nervos periféricos, medula espinhal ou cérebro), após distúrbios neuromotores como acidente vascular cerebral ou LME16. A primeira neuroprótese motora foi um estimulador do nervo fibular inventado em 1961 por Liberson e colegas para tratar queda do pé após hemiplegia17. O próprio termo neuroprótese foi cunhado pela primeira vez na literatura científica em 1971 para se referir a um implante intraespinhal que permitia a micção da bexiga após paraplegia18. Desde então, a definição de neuropróteses motoras também foi estendida a tecnologias que extraem comandos motores de sinais cerebrais para controlar dispositivos externos, também chamados de BCI ou IMC (ex. refs. 19,20). Nesta seção, revisamos brevemente os diferentes tipos de neuropróteses motoras, desde a neuroestimulação de músculos, nervos periféricos e medula espinhal até IMCs implantáveis.