Como as tecnologias implantáveis ​​e vestíveis estão redefinindo o atendimento ao paciente

Rikky Muller (Ph.D.’13 EECS), da UC Berkeley, professora associada de engenharia elétrica e ciências da computação, ainda se lembra de seu primeiro vislumbre do mundo da neurotecnologia. Numa conferência há quase duas décadas, ela viu algo que não parecia possível: chips que registam sinais neurais do cérebro e depois utilizam esses sinais para controlar braços robóticos.

“Acho que minha cabeça explodiu. Eu nem conseguia acreditar”, disse ela. “Muito rapidamente, percebi o seu potencial para tratar doenças neurológicas – e o impacto que poderia ter nos pacientes.”

Hoje, ela continua a abraçar essa paixão por meio de seu trabalho no Muller Lab, um grupo de pesquisa focado no desenvolvimento de sistemas microeletrônicos e integrados sem fio de baixa potência para aplicações neurológicas.

É um trabalho que ela está ansiosa para compartilhar – e recentemente ela conversou com a Berkeley Engineering sobre seus projetos mais recentes e seu potencial para transformar a maneira como gerenciamos muitas condições de saúde comuns.

Quais são os principais desafios que você enfrenta ao projetar esses tipos de dispositivos?

Meu grupo desenvolve dispositivos médicos translacionais para monitorar, diagnosticar e tratar distúrbios neurológicos. Construímos sistemas completos que interagem com o cérebro e o sistema nervoso periférico, combinando sensores, circuitos integrados, tecnologia sem fio e aprendizado de máquina. Como um grupo de hardware, temos a tarefa de fabricar dispositivos que sejam minimamente invasivos, de consumo ultrabaixo e seguros para serem implantados ou usados ​​no corpo.

Um desafio no qual estamos nos concentrando agora é fabricar dispositivos mais inteligentes e individualizados. Há um enorme grau de variabilidade entre as pessoas, tanto em termos dos sinais que registamos como em termos das respostas à terapia – como a neuroestimulação ou a administração de medicamentos – por isso queremos realmente fechar o ciclo. Queremos construir dispositivos que possam fazer observações contínuas, que extraiam biomarcadores de estados aberrantes e que possam determinar de forma autônoma a melhor terapia para um paciente. Esperançosamente, isso levará a melhores resultados, prazos mais rápidos e custos mais baixos.

Existem desafios únicos no design de um dispositivo para o corpo humano?

O corpo humano é um ambiente hostil para a eletrônica. Primeiro, é feito de água, que não combina bem com eletrônicos. Segundo, está sempre tentando rejeitar objetos estranhos. Terceiro, é sensível a aumentos de temperatura, o que pode resultar na morte do tecido. E quarto, é propenso a infecções.

Portanto, precisamos tornar os componentes eletrônicos extremamente pequenos para reduzir a resposta a corpos estranhos e sem fio para reduzir o risco de infecção. Também temos que fabricá-los com materiais biocompatíveis, garantir que sejam flexíveis e flexíveis para que não causem nenhum dano aos tecidos e garantir que dissipem quantidades minúsculas de energia para que não aqueçam cronicamente o tecido.

Ao mesmo tempo, precisamos de colocar muitas funcionalidades – e agora inteligência – nestes dispositivos, o que representa um grande desafio técnico.

Mais recentemente, você usou hologramas para se comunicar com o cérebro. Que insights sobre o cérebro você espera obter com esta nova neurotecnologia?

Este projeto foi feito em conjunto com [EECS professor] Laura Waller e [associate professor of molecular and cell biology and of neuroscience] Hillel Adesnik. Observe que ainda estamos desenvolvendo muito essa tecnologia.

Em apenas 1 milímetro cúbico do córtex cerebral, existem cerca de 50.000 neurônios. Não há nenhuma ferramenta disponível hoje que nos permita comunicar bidirecionalmente com todos os 50.000 neurônios e em suas escalas de tempo naturais de comunicação sem transformar o cérebro em queijo suíço total.

Agora pretendemos fazer isso com luz. A ideia é que possamos modificar os neurônios para emitir sinais de luz através da fluorescência e para serem receptivos a sinais de luz – uma técnica conhecida como optogenética. Estamos desenvolvendo um instrumento que gera pontos de luz em padrões 3D, também conhecidos como hologramas de nuvem de pontos. Isso nos permite iluminar lugares e momentos específicos para nos comunicarmos com neurônios específicos sem perturbar o tecido neural. Também podemos alternar rapidamente entre esses padrões, permitindo a comunicação com um grande número de neurônios em um pequeno período de tempo.

Como podemos mudar muito, muito rapidamente, podemos essencialmente falar com esses neurônios e receber sinais deles nas velocidades naturais com que se comunicam. Então você pode pensar nisso como uma E/S óptica de alta velocidade para o cérebro.

Não existe hoje nenhum instrumento que possa fazer isso para dezenas de milhares ou centenas de milhares de neurônios, e é isso que pretendemos fazer. Poderia mudar profundamente a nossa compreensão da neurociência básica, para sermos capazes de compreender como os circuitos neurais se formam, evoluem e funcionam – e como a doença progride.

Você também trabalhou em um fone de ouvido que evita que motoristas sonolentos adormeçam. De onde veio a ideia deste dispositivo? Como funciona?

Sabemos que, na verdade, existem dezenas de milhares de acidentes e até mortes que ocorrem todos os anos apenas por dirigir com sono. E a sonolência como risco ocupacional vai muito além da condução.

A ideia deste dispositivo foi inspirada nos Apple AirPods. Em 2017 ganhei meu primeiro par e meu pensamento imediato foi: Que plataforma incrível! Temos que colocar eletrodos neles e ver o que conseguimos registrar. Poderíamos realmente gravar o EEG dos ouvidos?

Havia outros grupos, incluindo um grupo pioneiro na época que registrava EEG do canal auditivo. Mas esse grupo estava criando dispositivos rígidos e moldados sob medida, e queríamos desenvolver um dispositivo confortável e genérico para o usuário, como os AirPods, que qualquer pessoa pudesse usar facilmente nos ouvidos.

Por isso desenvolvemos fones de ouvido feitos de componentes eletrônicos flexíveis. Isto foi em colaboração com [EECS professor] Ana Árias. O projeto foi baseado em um grande banco de dados de medições do ouvido humano. Foram necessários materiais flexíveis para que os botões tivessem um encaixe confortável e ao mesmo tempo fizessem um bom contato elétrico com o canal auditivo. Também desenvolvemos sensores eletrônicos sem fio de baixo consumo de energia para fazer interface com os fones de ouvido. Nós os comparamos com o EEG clínico do couro cabeludo úmido, o tipo usado para monitorar convulsões e distúrbios do sono.

Compreendemos, a partir dos tipos de sinais que conseguimos registrar, que as características da sonolência e do sono seriam robustas. Poderíamos detectar olhos abrindo e fechando, oscilações neurais ligadas ao relaxamento e muito mais. Em seguida, estabelecemos uma parceria com a Ford Motor Company para realizar um estudo sobre a sonolência.

Por fim, conseguimos treinar um modelo de aprendizado de máquina para detectar com precisão a sonolência em um grupo de cerca de 10 usuários que usam nosso dispositivo. Curiosamente, os sinais são tão estereotipados entre os usuários que nem precisamos treinar com os dados de um indivíduo. Portanto, poderia ser uma espécie de detector pronto para uso.

No início deste ano [2025]você recebeu financiamento para pesquisar um dispositivo bioeletrônico para ajudar a tratar a obesidade e o diabetes. Como este dispositivo pode melhorar a forma como os pacientes gerenciam essas condições de saúde?

Um tema importante em meu laboratório é fechar o ciclo em torno dos dispositivos terapêuticos, incorporando sensores para garantir que a terapia esteja fazendo o que deveria estar fazendo. Estamos aplicando essa ideia à distribuição de medicamentos.

GLP-1 de hoje [diabetes and weight-loss] os medicamentos requerem uma injeção uma vez por semana. A dose permanece no seu corpo e varia ao longo da semana até à próxima injeção. Nosso objetivo é usar um dispositivo implantável para produzir uma dose sustentada de administração de medicamento durante um longo período de tempo.

Embora você possa modificar geneticamente células para sintetizar drogas biológicas como insulina e GLP-1, você também pode modificar essas células para produzir proteínas fluorescentes. Nosso dispositivo implantável usará detecção de fluorescência para medir a dose do medicamento administrado, permitindo o controle em circuito fechado para garantir uma dosagem consistente.

Que papel você acha que a IA desempenhará no avanço dos dispositivos médicos implantáveis ​​e das tecnologias vestíveis?

Em termos de neurotecnologia, há muito tempo que precisamos treinar decodificadores específicos do paciente para interpretar dados neurais. No entanto, quando você grava sinais, há uma grande variação de pessoa para pessoa – cada cérebro é diferente, a localização dos eletrodos é diferente, esse tipo de coisa.

Nossa capacidade de agora colocar IA no dispositivo ou em um único chip trará inteligência diretamente para o próprio dispositivo, em vez de ter que transmitir para um computador e fazer inferências na nuvem. Isso vai impulsionar o campo para frente, já que [individual] os dispositivos serão capazes de tomar decisões autônomas em tempo real, in situ.

No meu laboratório, pensamos nisso como se houvesse um pequeno médico no dispositivo. Eu realmente acredito que esse é o futuro.