Programa de pesquisa coordenado visa acelerar a aquisição de habilidades cognitivas em indivíduos saudáveis ​​usando estimulação nervosa periférica não invasiva

Em março de 2016, a DARPA anunciou o programa TNT (Targeted Neuroplasticity Training) , um esforço para mobilizar o sistema nervoso periférico do corpo para alcançar algo que há muito tempo é considerado apenas o domínio do cérebro: facilitação da aprendizagem. O trabalho na TNT já começou. O ponto crucial do amplo programa é identificar métodos de neuroestimulação ótimos e seguros para ativar a “plasticidade sináptica” - um processo natural no cérebro, essencial para a aprendizagem, que envolve o fortalecimento ou o enfraquecimento das junções entre dois neurônios - e depois construir aqueles métodos em regimes de treinamento aprimorados que aceleram a aquisição de habilidades cognitivas.

O TNT foi inspirado em pesquisas recentes que mostram que a estimulação de certos nervos periféricos pode ativar regiões do cérebro envolvidas no aprendizado. Tais sinais podem potencialmente desencadear a plasticidade sináptica, liberando neuroquímicos que reorganizam as conexões neurais em resposta a experiências específicas. Os pesquisadores da TNT se esforçarão para identificar os mecanismos fisiológicos que podem permitir que esse processo natural seja aprimorado usando a estimulação elétrica dos nervos periféricos, tornando o cérebro mais adaptável durante os pontos-chave do processo de aprendizagem.

“A DARPA está abordando o estudo da plasticidade sináptica de vários ângulos para determinar se existem maneiras seguras e responsáveis ​​de aprimorar o aprendizado e acelerar o treinamento de habilidades relevantes para as missões de segurança nacional”, disse Doug Weber, gerente do programa da TNT.

A DARPA está financiando oito esforços em sete instituições em um programa coordenado de pesquisa que se concentra inicialmente na ciência fundamental da plasticidade cerebral e tem como objetivo concluir com testes em humanos em voluntários saudáveis. Para facilitar a transição para aplicativos do mundo real, algumas das equipes trabalharão com analistas de inteligência e especialistas em idiomas estrangeiros para entender como eles treinam atualmente, para que a plataforma TNT possa ser refinada de acordo com suas necessidades. O programa também comparará a eficácia da estimulação invasiva (via dispositivo implantado) versus não-invasiva, investigará como evitar riscos e efeitos colaterais potenciais da estimulação e realizará um workshop sobre a ética do uso da neuroestimulação para aprimorar o aprendizado.

A primeira metade do programa TNT se concentra em decifrar os mecanismos neurais subjacentes à influência da estimulação nervosa na plasticidade cerebral; descobrir indicadores fisiológicos que possam verificar quando a estimulação está funcionando efetivamente; e identificação e mitigação de possíveis efeitos colaterais da estimulação nervosa. A segunda metade do programa se concentrará no uso da tecnologia em uma variedade de exercícios de treinamento para medir melhorias na taxa e extensão da aprendizagem.

As instituições listadas abaixo estão liderando equipes que exploram aspectos do uso da estimulação para ativar a plasticidade.

  • Uma equipe da Universidade Estadual do Arizona, liderada pelo Dr. Stephen Helms Tillery, tem como alvo a estimulação do nervo trigêmeo para promover a plasticidade sináptica nos sistemas sensório-motor e visual do cérebro. Por meio de parcerias com o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, o 711º Asa de Desempenho Humano da Força Aérea dos EUA e o Instituto de Pesquisa Ambiental do Exército dos EUA, a equipe avaliará os protocolos de estimulação TNT com dois grupos de voluntários - um estudando inteligência, vigilância e reconhecimento, e outro praticante de tiro e tomada de decisão.
  • Uma equipe da Universidade Johns Hopkins, liderada pelo Dr. Xiaoqin Wang, está concentrada nas regiões do cérebro envolvidas na fala e na audição para entender os efeitos da plasticidade no aprendizado de idiomas. A equipe comparará a eficácia da estimulação do nervo vago invasivo versus não invasivo (VNS), testando a capacidade dos voluntários de discriminar fonemas, aprender palavras e gramática e produzir os sons únicos exigidos por algumas línguas estrangeiras.
  • Em um dos dois esforços que a DARPA está financiando na Universidade da Flórida, uma equipe liderada pelo Dr. Kevin Otto está identificando quais vias neurais no cérebro o VNS ativa. A equipe também conduzirá estudos comportamentais em roedores para determinar o impacto do VNS na percepção, função executiva, tomada de decisão e navegação espacial.
  • No segundo esforço da Universidade da Flórida, uma equipe liderada pelo Dr. Karim Oweiss usará uma abordagem totalmente óptica combinando imagem fluorescente e optogenética para interrogar a circuidade neural que conecta centros neuromoduladores no cérebro profundo a regiões de tomada de decisão no córtex pré-frontal. e otimize os parâmetros do VNS em torno deste circuito para acelerar o aprendizado das tarefas de discriminação auditiva por roedores.
  • Um esforço da Universidade de Maryland liderado pelo Dr. Henk Haarmann está estudando o impacto do VNS no aprendizado de línguas estrangeiras. Sua equipe usará a eletroencefalografia (EEG) para examinar os efeitos do SVN na função neural durante a percepção da fala, vocabulário e gramática.
  • Uma equipe da Universidade do Texas em Dallas, liderada pelo Dr. Mike Kilgard, está identificando os parâmetros ideais de estimulação para maximizar a plasticidade e comparando os efeitos da estimulação invasiva versus não invasiva em indivíduos com zumbido, enquanto realizam tarefas complexas de aprendizado de habilidades, como a aquisição de um instrumento estrangeiro. língua. A equipe também investigará a longevidade dos efeitos da estimulação para determinar se o treinamento de acompanhamento é necessário para a retenção a longo prazo das habilidades aprendidas.
  • Uma equipe da Universidade de Wisconsin, liderada pelo Dr. Justin Williams, está usando técnicas de sensoriamento óptico, eletrofisiologia e detecção neuroquímica de última geração em modelos animais para medir a influência da estimulação do nervo vago e trigeminal no aumento da atividade de neurônios neuromoduladores no cérebro.
  • Uma equipe da Universidade Estadual de Wright, liderada pelo Dr. Timothy Broderick, está focada na identificação de marcadores epigenéticos de neuroplasticidade e indicadores da resposta de um indivíduo ao SVN. Por meio de uma parceria com o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e a 711ª Ala de Desempenho Humano da Força Aérea dos EUA, a equipe também trabalhará com estagiários de analistas de inteligência voluntários que estudam o reconhecimento de objetos e ameaças para determinar o impacto do VNS não invasivo nesse treinamento.

A DARPA apoiará um futuro esforço científico regulatório da Administração de Medicamentos e Alimentos dos EUA (FDA), que aprovou o VNS para o tratamento de epilepsia e depressão . Os cientistas da FDA, liderados pelo Dr. Srikanth Vasudevan, irão explorar ainda mais a segurança e a eficácia do VNS em um modelo animal, incluindo um exame de qualquer papel que o sexo do animal possa ter nos efeitos potenciais do uso crônico do VNS.

Os esforços de TNT da DARPA diferem dos esforços anteriores de neurociência e neurotecnologia da Agência, buscando não restaurar a função perdida, mas aprimorar as capacidades de indivíduos saudáveis. Até o final do programa planejado para quatro anos, a DARPA pretende demonstrar que os métodos e tecnologias TNT podem proporcionar uma melhoria de pelo menos 30% na taxa de aprendizado e / ou no desempenho das habilidades em relação aos regimes de treinamento tradicionais, com efeitos colaterais negativos mínimos.

“O Departamento de Defesa opera em um mundo complexo e interconectado, no qual habilidades humanas como comunicação e análise são vitais, e o Departamento há muito tempo supera as fronteiras do treinamento para maximizar essas habilidades”, disse Weber. “O objetivo da DARPA com a TNT é aprimorar ainda mais os métodos de treinamento existentes mais eficazes, para que homens e mulheres de nossas Forças Armadas possam operar em todo o seu potencial.”

Reconhecendo que essas novas tecnologias para aprendizado e treinamento podem levantar questões sociais e éticas, o programa TNT está financiando a Arizona State University para sediar um workshop nacional de ética dentro do primeiro ano do programa. O workshop envolverá cientistas, bioeticistas, reguladores, especialistas militares e outros na discussão dessas questões e produzirá para uma consideração mais ampla um relatório sobre possíveis questões éticas relacionadas ao aprimoramento cognitivo dos combatentes.

TNT é um esforço de pesquisa fundamental. As equipes que realizam a pesquisa são incentivadas a publicar suas descobertas em revistas especializadas.

Legenda da imagem: O objetivo principal do programa de treinamento direcionado em neuroplasticidade (TNT) é entender os mecanismos básicos que ligam a neuroestimulação à plasticidade. Aplicando esse conhecimento, a tecnologia TNT será projetada para estimular com segurança e precisão os nervos periféricos para controlar a plasticidade sináptica em pontos ideais durante o treinamento de habilidades cognitivas.

OUTREACH@DARPA.MIL

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