Interface cérebro-cérebro: Essa linha de pesquisa é uma abordagem totalmente nova para o uso de interfaces cérebro máquina. Na interface cérebro-cérebro (ICC), microeletrodos implantados no cérebro, em regiões relacionadas à percepção sensório-motora, permitem a transferência de informações em tempo real entre dois ou mais sujeitos experimentais. Além da transferência de informações táteis ou visuomotoras, as ICC podem ser aplicadas a outros sistemas como a transferência de informações do hipocampo relacionadas à memória.

As ICC têm potencial para o desenvolvimento de um canal de comunicação entre sujeitos para os mais diversos fins e aplicações. Entretanto, quais propriedades emergirão desse novo sistema? O que muda no cérebro dos sujeitos a partir do momento que eles passam a cooperar através de uma ICC para atingir um objetivo comportamental comum? Essa linha de pesquisa tem como objetivo investigar as propriedades emergentes deste novo sistema, as características computacionais e biológicas resultantes dos múltiplos cérebros interconectados.

Do ponto de vista computacional, várias configurações de redes neurais podem ser testadas para obtenção de um código robusto que permita que a atividade elétrica cerebral de um sujeito possa servir de informação a outro ou mais indivíduos. Além disso, novos dispositivos neuroprostéticos podem ser desenvolvidos, assim como os efeitos da neuroplasticidade cortical associada a utilização destes dispositivos podem ser avaliados.

Biocompatibilidade: O uso de próteses neurais tem sido crescentemente difundido, devido a sua promissora aplicação nos sistemas de interface cérebro-máquina. Tais sistemas visam a reabilitação de pacientes com lesão medular ou o tratamento de patologias de origem neurológica, como epilepsia, dor crônica e doença de Parkinson.

Porém, ainda não está bem estabelecido os mecanismos envolvidos na resposta tecidual ao eletrodo, uma vez que a prótese neural, embora constituída por materiais biocompatíveis, é um corpo estranho ao organismo. Além disso, um importante pré-requisito das próteses neurais é garantir a manutenção de um sinal estável no sistema nervoso central (SNC) por um longo período de tempo sem causar alterações estruturais, celulares ou metabólicas capazes de comprometer a performance do dispositivo e/ou resultar em degeneração do tecido em torno do implante de eletrodos.

Desta forma, a linha de pesquisa em biocompatibilidade tem como objetivo investigar a resposta tecidual ao dispositivo neural. Recentes trabalhos têm mostrado que células residentes no SNC como microglia e astrócitos têm um importante papel na resposta inflamatória ao implante neural. Entretanto, ainda não está bem estabelecido quais metabólitos estas células podem produzir e que estratégias podem ser utilizadas para garantir uma maior durabilidade do sinal captado pelas próteses neurais. Também é interessante avaliar a resposta tecidual a diferentes tipos de materiais biocompatíveis em diferentes regiões do SNC.

Doenças neurodegenerativas: São desordens crônicas caracterizadas pela morte progressiva de neurônios. As duas doenças neurodegenerativas mais comuns no mundo são Alzheimer e Parkinson.

A doença de Parkinson é a segunda doença neurodegenerativa mais comum no mundo, atingindo 1% da população acima dos 60 anos. Sua etiologia e patofisiologia ainda não pouco compreendidas. Nesta desordem, há a perda progressiva de neurônios que produzem o neurotransmissor dopamina. A dopamina modula a atividade do circuito gânglios da base-tálamo-córtex, uma rede envolvida no controle motor.

Sendo assim, a doença de Parkinson é definida como uma disfunção motora com 3 sintomas cardinais: tremor de repouso, rigidez muscular e lentidão de movimentos (bradicinesia). No entanto, diversos sintomas não-motores, como constipação, disfunção urinária, distúrbios do sono, depressão e declínio cognitivo estão normalmente presentes, sendo que alguns deles são observados até mesmo antes da manifestação dos sintomas motores.

Parkinson não tem cura. Até o momento, não foram desenvolvidas estratégias terapêuticas capazes de parar, reverter ou desacelerar a progressão da doença. Os tratamentos atualmente disponíveis são capazes de aliviar alguns sintomas, mas seu uso crônico provoca uma série de efeitos colaterais.

Neste contexto, o IIN-ELS desenvolve projetos que visam caracterizar as alterações eletrofisiológicas, moleculares e histológicas relacionadas à doença de Parkinson. Além disso, desenvolve-se projetos que avaliam os efeitos de agudos e crônicos de tratamentos alternativos para a doença, como a estimulação medular, e os compara a diversos tratamentos atualmente utilizados, como a administração de levodopa e a estimulação cerebral profunda.

Doenças do neurodesenvolvimento: A epidemia da Zika desencadeada entre 2014-2016 acarretou uma séria ameaça no âmbito social e econômico, especialmente devido à excessiva demanda da parte da população mais vulnerável sobre os serviços de saúde, gerando grande impacto e prejuízo à saúde pública. Os casos mais graves de Zika progridem para complicações no sistema nervoso central (SNC), como a microcefalia em bebês de mães que tiveram Zika durante a gestação.

Os mecanismos pelos quais o SNC é atingido em somente uma parcela de pacientes são questões ainda pouco compreendidas. Estima-se que mais de 4.000 crianças tenham nascido com microcefalia devido à infecção congênita pelo ZIKV, com diferentes graus de acometimento.

Diante desse cenário, acreditamos ser urgente e evidente a necessidade de pesquisas sobre o desenvolvimento de práticas que possibilitem a melhoria da qualidade de vida dessa geração de crianças acometidas. O Instituto Santos Dumont (ISD) conta com o IIN-ELS e também o Centro de Educação e Pesquisa em Saúde (CEPS) Anita Garibaldi que, juntos, propõem estudar possíveis intervenções capazes de abrir novas perspectivas para o tratamento e a melhoria da qualidade de vida dos portadores dessa síndrome tão difundida em território nacional.

Doenças psiquiátricas: De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), as doenças psiquiátricas são caracterizadas por perturbações na cognição, regulação emocional ou comportamento de um indivíduo. Atualmente, estima-se que cerca de 450 milhões de pessoas possuam algum tipo de transtorno psiquiátrico, sendo que estes distúrbios constituem as doenças neurológicas mais comuns em adultos jovens. No entanto, entre 10 e 20% dos pacientes não respondem a qualquer tipo de terapia farmacológica disponível.

A neurobiologia subjacente a estas doenças ainda é muito pouco conhecida, o que dificulta o desenvolvimento de novas terapias. No IIN-ELS são desenvolvidas pesquisas para estudar as alterações eletrofisiológicas de diversas estruturas corticais e subcorticais em modelos de transtornos psiquiátricos, como ansiedade, mania e esquizofrenia. Estes projetos também envolvem a avaliação do uso de técnicas de neuromodulação como estratégias terapêuticas para essas doenças.

Cognição: A neurociência cognitiva busca compreender as bases neurais de fenômenos cognitivos como aprendizado, percepção, tomada de decisões e interações sociais. No IIN-ELS, estuda-se como redes neuronais amplamente distribuídas no córtex cerebral discriminam o estímulo tátil de forma precisa e num curto intervalo de tempo, codificando e processando o estímulo recebido.

Além disso, desenvolve-se pesquisas na área de cognição social, com foco no estudo no estudo da comunicação vocal, em especial dos mecanismos neurais envolvidos na percepção e discriminação de estímulos vocais. Para atingir estes objetivos, utiliza-se técnicas de registro eletrofisiológico invasivo simultaneamente em múltiplas regiões cerebrais durante tarefas de detecção e discriminação tátil ou auditiva.

Neurociência Computacional: Quais são os princípios computacionais associados ao funcionamento do sistema nervoso? Quais são as bases neurais da memória, aprendizagem e comportamento?

A linha de pesquisa em Neurociência Computacional tem como objetivo construir modelos computacionais de fenômenos físicos e biológicos observados nas mais diversas escalas neurais. Com esses modelos, é possível, por exemplo, simular a dinâmica dos canais iônicos e sinapses, a evolução do potencial de ação de um ou de muitos neurônios, o fluxo de informação em uma rede neural ou ainda a interação entre grandes populações neurais.

Desta forma, a neurociência computacional contribui com a compreensão dos mecanismos presentes em sistemas neurais bem como com a elaboração e teste de novas hipóteses. Trata-se de uma linha de pesquisa bastante interdisciplinar, que requer interação constante entre profissionais das ciências humanas, exatas e biológicas para o aperfeiçoamento dos modelos.

A plataforma de desenvolvimento é, sobretudo, o computador, complementado por unidades gráficas de processamento paralelo (GPUs), circuitos integrados programáveis (FPGAs) e robôs. Insere-se, no contexto da neurociência computacional, temas como inteligência artificial, aprendizagem de máquina, ciência cognitiva e consciência.

Processamento de sinais biológicos: O processamento de sinal consiste na aplicação de ferramentas matemáticas e computacionais sobre um objeto que, no caso, são sinais biológicos. Todos os seres vivos são também entidades físicas e é possível perceber funções biológicas observando fenômenos físicos. Por exemplo, a variação do potencial elétrico do coração durante um período de tempo é um sinal biológico, e se for medido e representado graficamente, é chamado de eletrocardiograma.

Da mesma forma, é possível medir o potencial elétrico da atividade cerebral, que é chamado de eletroencefalograma (EEG). Inúmeras ferramentas matemáticas podem ser empregadas para extrair informação do sinal de EEG, o que torna possível por exemplo inferir se uma pessoa está acordada ou dormindo, em que fase do sono se encontra, ou até se um paciente está em coma ou morte cerebral.

Recentemente, técnicas de processamento de sinal têm sido requisitadas para realizar a interação de indivíduos com máquinas, utilizando somente os sinais elétricos cerebrais. Essa técnica ficou conhecida por interface cérebro-máquina e tem um grande potencial de aplicação tanto para pessoas com necessidades especiais, quanto para atribuir novas habilidades aos seres humanos, como o aumento de força ou novos meios de interagir com computadores.

Atualmente, o processamento de sinais biológicos é uma disciplina que desperta o interesse de várias áreas do conhecimento, como engenharia biomédica, biomedicina e medicina, tem experimentado avanços rápidos e apresenta muitas oportunidades.