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

Em uma inovação inédita, pesquisadores combinaram 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.

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;
• 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.

Pioneirismo

Este estudo marca a primeira vez que um organoide cerebral 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.

Os organoides ainda estão longe de replicar cérebros humanos completos. Assim, Smirnova espera que essa tecnologia proporcione aos cientistas uma compreensão. Ou seja, um aprofundamento 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. Bem como aprendizado e cognição, por exemplo.