Aglomerados de células cerebrais humanas cultivadas em placas de Petri foram integrados em computadores para atingir um nível fundamental de reconhecimento da fala.
Feng Guo, da Indiana University Bloomington, explica o estudo, publicado na Natureza EletrónicaTrata-se de uma demonstração preliminar para mostrar a viabilidade do conceito. Há ainda um caminho considerável a percorrer".
Guo aponta dois desafios principais da IA convencional que esta forma de IA biológica procura resolver: o elevado consumo de energia e as limitações inerentes aos chips de silício, como as suas funções distintas de processamento e armazenamento de informação.
A equipa de Guo, juntamente com outras, como a australiana Cortical Labs, que células cerebrais treinadas para jogar Pong em 2022O grupo de investigação "Biocomputação" está a explorar a biocomputação com células nervosas vivas como uma potencial solução para estes desafios.
Estes organóides cerebrais - culturas de tecidos tridimensionais auto-organizadas, semelhantes a mini-cérebros - emergem de células estaminais em condições de crescimento específicas.
Podem crescer até alguns milímetros de diâmetro e conter até 100 milhões de células nervosas. Em comparação, um cérebro humano tem aproximadamente 100 mil milhões de células nervosas. Os organóides são colocados sobre uma matriz de microelectrodos, que estimula o organoide e regista a atividade neuronal. A equipa de Guo chama a esta configuração "Brainoware".
Essencialmente, o Brainoware é uma nova forma de IA bastante diferente da que vemos habitualmente nos computadores e smartphones.
Em vez de utilizar chips normais, os investigadores criaram um pequeno conjunto de células cerebrais humanas - o organoide cerebral. Este minúsculo "mini-cérebro" é cultivado em laboratório a partir de células estaminais e pode executar algumas tarefas básicas que normalmente associamos à IA, como o reconhecimento de padrões de fala.
Como funciona
O organoide cerebral é colocado num dispositivo especial que pode enviar e ler sinais eléctricos.
Ao fazê-lo, os investigadores podem comunicar com o organoide, como se o ensinassem a responder a determinados padrões ou estímulos. No estudo, treinaram-no para reconhecer diferentes vozes a partir de clips de áudio.
Um dos aspectos mais notáveis do Brainware é o facto de aprender e adaptar-se. Tal como um cérebro humano melhora as suas tarefas com a prática, o organoide melhora a sua capacidade de reconhecer vozes quanto mais for exposto a elas.
Isto aproxima-nos um pouco mais da criação de uma IA que funcione mais como o cérebro humano, que é excecionalmente eficiente e não necessita de muita energia para funcionar (aproximadamente a de uma pequena lâmpada).
No entanto, existem desafios. O crescimento destes organóides cerebrais é complicado - são difíceis de criar, difíceis de replicar de forma consistente e não duram muito tempo, mas a equipa está a trabalhar em soluções.
Desempenho do Brainoware
Numa experiência de reconhecimento de fala não supervisionada, os organóides foram treinados para distinguir uma única voz a partir de 240 gravações áudio de oito indivíduos a emitir sons de vogais japonesas. Estes sons foram convertidos em sequências de sinais e padrões espaciais para os organóides.
Inicialmente, os organóides apresentavam uma taxa de precisão de aproximadamente 30 a 40%, que melhorou para 70 a 80% após dois dias de treino.
Mais informações sobre o estudo
IA bio-inspirada assume algumas formas diferentes, tais como chips neuromórficos com base em neurónios biológicos. Isto vai mais longe, criando uma arquitetura computacional a partir de organoides biológicos.
Eis mais pormenores sobre o seu funcionamento:
- Hardware de IA bio-inspirado: O estudo, publicado na revista Nature Electronics, apresenta o Brainoware, um novo hardware de IA que utiliza redes neuronais biológicas num organoide cerebral. Isto marca uma mudança fundamental em relação aos chips de silício tradicionais inspirados no cérebro, oferecendo uma emulação mais autêntica da função cerebral.
- Estrutura e funcionalidade do Brainoware: O Brainoware funciona através da interface entre um organoide cerebral, cultivado a partir de células estaminais pluripotentes humanas, e um conjunto de multielectrodos de alta densidade. Esta configuração permite tanto a transmissão de sinais eléctricos ao organoide como a deteção de respostas neurais. O organoide apresenta propriedades como a dinâmica não linear, a memória e a capacidade de processar informações espaciais.
- Aplicações demonstradas no estudo: A equipa aplicou com êxito o Brainoware em cenários práticos, como o reconhecimento da fala e a previsão de equações caóticas não lineares (como o mapa de Hénon). Isto mostra a capacidade do Brainoware para melhorar o seu desempenho computacional através de treino, realçando o seu potencial para tarefas que requerem aprendizagem adaptativa.
- Desafios e limitações: Apesar da sua abordagem inovadora, o Brainoware enfrenta vários desafios técnicos, incluindo a geração e manutenção de organoides cerebrais. Para além disso, a dependência do hardware em relação a equipamento periférico impede o seu potencial. Por outras palavras, é necessário um grande número de equipamentos de apoio para que os órgãos cerebrais funcionem corretamente.
- Direcções futuras e potencialidades: O estudo sugere que, com os avanços no cultivo de organoides e a resolução de problemas práticos associados aos organoides, o Brainoware poderá evoluir para um sistema mais eficiente e sofisticado. Isto poderia conduzir a um hardware de IA que imitasse mais de perto o funcionamento do cérebro humano, reduzindo potencialmente o consumo de energia.
No futuro, estes tipos de sistemas de biocomputação poderão vir a realizar tarefas de IA com maior eficiência energética do que os chips tradicionais baseados em silício.
Os desenvolvimentos deste ano no domínio da IA de inspiração biológica são muito promissores para ajudar a indústria da IA a ultrapassar os limites da computação de força bruta e a criar tecnologias energeticamente eficientes tão elegantes como a natureza.
