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29/12/2023 17h00min - Ciência e Espaço
5 meses atrás

Minicérebro e IA são integrados para criar computador híbrido

Cientistas integram organoides cerebrais a algoritmo de inteligência artificial, inaugurando um avanço na computação híbrida

Imagem: Antonio Marca / Shutterstock.com ► 
Fonte: Fonte Grande FM



Em uma inovação inédita, pesquisadores combinaram inteligência artificial  (IA) convencional com um sofisticado modelo tridimensional do cérebro humano, composto por diferentes tipos de tecido cerebral cultivados em laboratório, buscando potencializar a capacidade computacional da IA.

Os modelos em miniatura do cérebro, conhecidos como organoides cerebrais ou “minicérebros”, existem em várias formas desde 2013, mas nunca foram explorados como um meio de aprimorar a IA.

A pesquisa recente utiliza hardware de computação mais tradicional para inserir dados elétricos no organoide e, posteriormente, decifrar a atividade do organoide para gerar uma saída. Nesse processo, o organoide atua apenas como a “camada intermediária” do processo de computação.

Embora o método esteja longe de imitar a verdadeira estrutura ou funcionamento do cérebro, pode representar um primeiro passo em direção à criação de biocomputadores, que, ao adotarem estratégias da biologia, poderiam ser mais potentes e eficientes energeticamente do que os computadores tradicionais.

Além disso, essa abordagem poderia proporcionar uma compreensão mais profunda de como o cérebro humano opera e como é afetado por condições neurodegenerativas, como Alzheimer e Parkinson.

O estudo

No estudo recentemente publicado na revista Nature Electronics, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada computação em reservatório, onde o organoide desempenha o papel de “reservatório”.Nesse sistema, o reservatório armazena informações e reage às informações inseridas. Um algoritmo aprende a reconhecer as alterações provocadas no reservatório por diferentes entradas e, em seguida, traduz essas mudanças em suas saídas.Utilizando esse modelo, os pesquisadores conectaram o organoide cerebral a este sistema, fornecendo-lhe entradas elétricas por meio de eletrodos.Feng Guo, coautor do estudo e professor associado de engenharia de sistemas inteligentes na Universidade de Indiana Bloomington, explicou: “Basicamente, podemos codificar as informações — algo como uma imagem ou informação de áudio — no padrão temporal-espacial da estimulação elétrica.”Embora o organoide cerebral seja muito mais simples do que um cérebro real, sendo essencialmente uma pequena esfera de células cerebrais, ele possui alguma capacidade de adaptação e mudança em resposta à estimulação.Essas respostas das diferentes células cerebrais, em diferentes estágios de desenvolvimento, e das estruturas semelhantes a cérebros no organoide fornecem uma analogia aproximada à maneira como nossos cérebros mudam em resposta a sinais elétricos, impulsionando nossa capacidade de aprendizado.Usando esse hardware não convencional, os pesquisadores treinaram seu algoritmo híbrido para realizar dois tipos de tarefas: uma relacionada ao reconhecimento de fala e outra à matemática.Na primeira, o computador demonstrou cerca de 78% de precisão ao reconhecer sons de vogais japonesas a partir de centenas de amostras de áudio.Além disso, apresentou precisão razoável na resolução da tarefa matemática, embora ligeiramente menor do que métodos tradicionais de aprendizado de máquina.Pioneirismo

Este estudo marca a primeira vez que um organoide cerebral é utilizado em conjunto com IA, embora estudos anteriores tenham empregado tipos mais simples de tecido neural cultivado em laboratório de maneira semelhante. Lena Smirnova, professora assistente de saúde ambiental e engenharia na Universidade Johns Hopkins e coautora de um comentário sobre o novo estudo, sugere que pesquisas futuras poderiam tentar combinar organoides cerebrais com aprendizado por reforço.

Uma das vantagens de criar biocomputadores seria a eficiência energética, uma vez que nossos cérebros consomem significativamente menos energia do que os sistemas de computação avançados atuais. Entretanto, Smirnova aponta que pode levar décadas antes que tecnologias como essa sejam utilizadas para criar biocomputadores de uso geral.

Apesar de os organoides estarem longe de replicar cérebros humanos completos, Smirnova espera que essa tecnologia proporcione aos cientistas uma compreensão mais aprofundada de como o cérebro funciona, especialmente em doenças como o Alzheimer. Replicar tanto a estrutura cerebral (com organoides) quanto a função (com computação) poderia permitir aos pesquisadores entender melhor a relação entre a estrutura cerebral e o aprendizado e cognição, por exemplo.

Assim como os organoides em geral, esses sistemas de computação poderiam, esperançosamente, ajudar a substituir testes de medicamentos em animais, abordando questões éticas e proporcionando resultados mais relevantes, já que os animais diferem significativamente dos humanos. Incorporar organoides derivados de tecido cerebral humano nos testes de medicamentos poderia ajudar a preencher essa lacuna.

*com informações: Olhar Digital.



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Grande FM
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