Pesquisadores construíram um biocomputador híbrido – combinando tecido cerebral humano cultivado em laboratório com circuitos eletrônicos convencionais – capaz de realizar tarefas como reconhecimento de voz.
A tecnologia, descrita em 11 de dezembro na revista Nature Electronics,1 poderá um dia ser integrada a sistemas de inteligência artificial (IA) ou servir de base para modelos aprimorados do cérebro na pesquisa em neurociência.
Os pesquisadores chamam o sistema de Brainoware. Ele utiliza organoides cerebrais – feixes de células humanas semelhantes a tecidos usados em pesquisas para modelar órgãos. Os organoides são feitos de células-tronco capazes de se especializarem em diferentes tipos de células. Neste caso, elas foram transformadas em neurônios, semelhantes aos encontrados em nossos cérebros.
A pesquisa pretende construir “uma ponte entre IA e organoides”, diz Feng Guo, coautor do estudo e bioengenheiro da Universidade de Indiana Bloomington. Alguns sistemas de IA dependem de uma rede neural interconectada, semelhante ao funcionamento do cérebro. “Queríamos saber se poderíamos aproveitar a rede neural biológica dentro do organoide cerebral para computação”, diz ele.
Aproveitando o poder cerebral
Para criar o Brainoware, os pesquisadores colocaram um único organoide em uma placa contendo milhares de eletrodos para conectar o tecido cerebral aos circuitos elétricos. Eles converteram as informações de entrada em um padrão de pulsos elétricos e os enviaram para o organoide. A resposta do tecido foi captada por um sensor e decodificada usando um algoritmo de aprendizado de máquina.
Para testar as capacidades do Brainoware, a equipe utilizou a técnica para realizar o reconhecimento de voz, treinando o sistema com 240 gravações de oito pessoas falando. O organoide gerou um padrão diferente de atividade neural em resposta a cada voz. A IA aprendeu a interpretar essas respostas para identificar o falante com uma precisão de 78%.
Embora mais pesquisas sejam necessárias, o estudo confirma algumas ideias teóricas-chave que eventualmente poderiam tornar um computador biológico possível, afirma Lena Smirnova, neurocientista do desenvolvimento da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland. Experimentos anteriores mostraram apenas culturas 2D de células neurais capazes de realizar tarefas computacionais semelhantes, mas esta é a primeira vez que isso é demonstrado em um organoide cerebral em 3D.
Modelo cerebral aprimorado
Combinar organoides e circuitos poderia permitir que os pesquisadores aproveitassem a velocidade e eficiência energética dos cérebros humanos para a IA, diz Guo.
A onda de mini estômagos, cérebros, seios, rins e muito mais
A tecnologia também poderia ser usada para estudar o cérebro, diz Arti Ahluwalia, engenheiro biomédico da Universidade de Pisa, na Itália, pois os organoides cerebrais podem replicar a arquitetura e a função de um cérebro em funcionamento de maneiras que as culturas celulares simples não conseguem. Há potencial para utilizar o Brainoware como modelo e estudo de doenças neurológicas, como a doença de Alzheimer. Também poderia ser usado para testar os efeitos e toxicidades de diferentes tratamentos. “Aí está a promessa; usar esses organoides para, um dia, esperamos substituir os modelos animais do cérebro”, diz Ahluwalia.
No entanto, o uso de células vivas para computação não é isento de problemas. Uma grande questão é como manter os organoides vivos. As células precisam ser cultivadas e mantidas em incubadoras, o que se tornará mais difícil à medida que os organoides aumentarem de tamanho. E tarefas mais complexas exigirão “cérebros” maiore
