O cérebro humano é capaz de armazenar, excluir e processar informações de maneira extremamente eficiente. Inspirados nesse poder computacional, cientistas da Universidade RMIT, na Austrália, desenvolveram um chip eletrônico capaz de, como os neurônios, reter e apagar informações. Segundo os pesquisadores, o dispositivo poderá ajudar cientistas e médicos a entender o complexo mecanismo de funcionamento dos neurônios usando uma rede neural artificial, sem a necessidade de técnicas invasivas. Os resultados do estudo foram publicados na revista científica Advanced Functional Materials.
Há dois anos, a equipe vem trabalhando no desenvolvimento da tecnologia. O objetivo inicial era projetar um aparelho eletrônico que fosse inteligente ao ponto de aprender o estilo de vida das pessoas e cuidar, de forma confiável, das rotinas delas. “Com isso em mente, começamos a explorar as maneiras de imitar funcionalidades de um neurônio em um dispositivo eletrônico”, conta Sumeet Walia, um dos autores do estudo e docente da Escola de Engenharia da Universidade RMIT.
A criação dos chips é baseada na optogenética. Eles têm neurônios artificiais que são formados basicamente por dispositivos eletrônicos, os fototransistores, acionados por meio da incidência de luz. Além disso, a direção da luminosidade interfere nos processos de criação e modificação de memórias. “Somos capazes de simular a abordagem neural do cérebro simplesmente fazendo brilhar cores diferentes em nosso chip. Essa tecnologia nos leva mais longe no caminho para uma computação baseada em luz rápida, eficiente e segura”, ressalta Walia.
Polos distintos
A solução foi feita com fósforo negro, um material atomicamente fino e sensível à luz. Os dispositivos eletrônicos do chip convertem a luz que incide sobre eles em corrente elétrica. Dependendo da cor da luz incidente, a corrente gerada segue em uma de duas direções opostas: a positiva ou a negativa. Essa mudança de direção induzida pela luz faz com que os neurônios artificiais se liguem ou desliguem, permitindo ou inibindo as conexões entre eles.
Quando as correntes seguem o polo positivo, os neurônios se conectam e induzem o aprendizado, produzindo a memória. Ao contrário, quando as correntes seguem o polo negativo, os neurônios se inibem e causam o esquecimento. “Nosso chip eletrônico usa luz para criar e modificar memórias, aproximando-nos da inteligência artificial que pode replicar a sofisticação do cérebro humano”, frisa Walia.
O mecanismo é semelhante ao cérebro, segundo os cientistas australianos. O órgão humano é composto por bilhões de neurônios em redes que se comunicam usando uma sequência de sinais elétricos. Dessa forma, expressam diferentes comportamentos, como aprender por meio de órgãos sensoriais ou participar de processos mais complicados — o da ativação das emoções e da memória, por exemplo.
Assim como no chip, os neurônios sempre têm uma resposta determinada às atividades no cérebro. Dependendo do tipo de conexão neural, essas reações também podem ser positivas ou negativas. As primeiras produzem memória, mas quando as respostas são negativas, ou seja, se há qualquer interrupção da sequência de sinalização no cérebro, ocorre perda das conexões neurais vitais, o que potencialmente causa perda de memória.
Modelo de estudo
Os cientistas acreditam que a compreensão desenvolvida a partir do chip pode levar ao tratamento de distúrbios neurais, como a doença de Alzheimer e outras demências. “A cura desses distúrbios exige identificar os neurônios defeituosos e restaurar a rotina de sinalização sem afetar o funcionamento de outros neurônios da rede. Assim, tendo um modelo computacional do cérebro, os neurocientistas seriam capazes de simular as funções e as anormalidades cerebrais e trabalhar em prol da cura, sem a necessidade de teste com sujeitos vivos”, explica Walia.
Professora de neurologia do Centro Universitário de Brasília (UniCeub), Talyta Grippe pondera que a tecnologia utiliza um mecanismo que se inspira no cérebro, mas não tem a complexidade do mesmo. “O chip seria uma aplicação da visão envolvida no processo de formação da memória, mas não chega a representar o mecanismo total que o cérebro usa para a memória”, explica.
Apesar de avaliar a tecnologia como promissora, a neurologista acredita que aplicabilidade do chip ainda é muito remota. “Entender como seria a conversa desse chip com os mecanismos cerebrais não é tão simples como foi descrito. A pesquisa é uma maneira interessante de começar a entender como o cérebro funciona para um mecanismo artificial e desenhar dispositivos artificiais que consigam conversar com o cérebro”, acrescenta Talyta Grippe.
Palavra de especialista
Estágio de invenção
“O conceito de inovação é diferente do de pesquisa científica. O que os pesquisadores desenvolveram foi um dispositivo que permite salvar dados em uma memória utilizando luz, em vez de corrente elétrica. Eles conseguiram também integrar essa solução com sistemas já manufaturados. Mas essa memória ainda precisa ser extensamente desenvolvida, testada em situações diversas e com seres vivos e, enfim, com pessoas, para que seja um produto pronto para o mercado. Aí sim será uma inovação. Hoje, está em um estágio que a gente pode chamar de invenção”
Sanderson César,
professor do curso de engenharia de produção da Universidade de Brasília (UnB)
Da robótica ao cérebro biônico
O chip capaz de imitar o processo de formação de memórias também pode realizar operações lógicas, como processamento de informações, outra funcionalidade do cérebro. Segundo os criadores, o chip é compatível com os componentes eletrônicos existentes e também pode ser usado em plataformas flexíveis e vestíveis, bem como ser implantado em eletrônicos portáteis.
“A capacidade de replicar o comportamento neural em um chip artificial oferece pistas interessantes para pesquisas em vários setores, como a optogenética, a neurociência, a robótica e a engenharia eletrônica”, aponta Taimur Ahmed, principal autor do estudo e pesquisador da Escola de Engenharia da Universidade de RMIT, na Austrália Os cientistas também esperam que a tecnologia possa interagir com tecidos vivos, dando origem a dispositivos biônicos, como implantes de retina humana artificiais. “Isso também nos traz um passo importante para a realização de um cérebro biônico. Um chip cerebral que pode aprender com o ambiente da mesma forma que os humanos”, acrescenta Ahmed.
De acordo com os cientistas, os testes realizados foram animadores, mas seguem explorando a aplicação do chip em cenários reais. “Esse chip está em estágios iniciais e requer muito trabalho antes de poder ser comercializado”, explica Sumeet Walia, um dos autores do estudo e docente da Escola de Engenharia da universidade australiana. Como o desenvolvimento do dispositivo foi realizado seguindo o protocolo padrão da indústria eletrônica, os pesquisadores esperam que o custo esteja na faixa de chips eletrônicos já comercializados.
Novos computadores
Adson da Rocha, professor de engenharia biomédica e elétrica da Universidade de Brasília (UnB), acredita que a tecnologia poderá contribuir para o desenvolvimento de computadores que funcionem de forma semelhante aos sistemas neurais biológicos, auxiliando, por exemplo, no controle de próteses e na construção de outras tecnologias relevantes. “O novo chip pode vir a permitir novos desenvolvimentos não somente na medicina, mas na ciência da computação em geral, possibilitando que outros tipos de computadores, com aplicações diferentes dos atuais, possam vir a ser desenvolvidos”, aposta.
O especialista avalia que o real potencial da tecnologia ainda não está totalmente claro e há muito o que ser explorado. “É interessante que a tecnologia seja inspirada em formas de funcionamento do sistema de processamento neural humano, o que me leva a especular sobre possibilidades futuras de aplicações, inclusive na medicina. Porém, acho que teremos que esperar mais alguns anos para ter uma noção clara das possibilidades reais”, ressalta o professor Adson da Rocha.
