Cientistas criaram partes essenciais de células cerebrais sintéticas que podem conter “memórias” celulares por milissegundos. A conquista pode um dia levar a computadores que funcionam como o cérebro humano.
Essas partes, que foram usadas para modelar uma célula cerebral artificial, usam partículas carregadas chamadas íons para produzir um sinal elétrico, da mesma forma que as informações são transferidas entre os neurônios em seu cérebro.
Os computadores atuais podem fazer coisas incríveis, mas esse poder de processamento tem um alto custo de energia. Em contraste, o cérebro humano é notavelmente eficiente, usando aproximadamente a energia contida em duas bananas para fazer o trabalho de um dia inteiro. Embora as razões para essa eficiência não sejam totalmente claras, os cientistas concluíram que, se pudessem fazer um computador mais parecido com o cérebro humano, ele exigiria muito menos energia. Uma maneira pela qual os cientistas tentam replicar a maquinaria biológica do cérebro é utilizando o poder dos íons, as partículas carregadas das quais o cérebro depende para produzir eletricidade.
Neurônios artificiais
No novo estudo, publicado na revista Science em 6 de agosto, pesquisadores do Centre national de la recherche scientifique em Paris, França, criaram um modelo de computador de neurônios artificiais que poderiam produzir o mesmo tipo de sinais elétricos que os neurônios usam para transferir informações em o cérebro; enviando íons através de canais finos de água para imitar canais iônicos reais, os pesquisadores poderiam produzir esses picos elétricos. E agora, eles até criaram um modelo físico que incorpora esses canais como parte de uma pesquisa contínua e não publicada.
“Pelo que sei, é a primeira vez que as pessoas [fazem] isso com íons”, disse o co-autor do estudo Lydéric Bocquet, físico da École Normale Supérieure.
Em um nível mais refinado, os pesquisadores criaram um sistema que imita o processo de geração de potenciais de ação – picos na atividade elétrica gerados por neurônios que são a base da atividade cerebral. Para gerar um potencial de ação, um neurônio começa a deixar entrar mais íons positivos, que são atraídos para os íons negativos dentro da célula. O potencial elétrico, ou voltagem através da membrana celular, faz com que as portas da célula, chamadas de canais iônicos dependentes de voltagem, se abram, aumentando a carga ainda mais antes que a célula alcance um pico e volte ao normal alguns milissegundos depois. O sinal é então transmitido para outras células, permitindo que as informações viajem pelo cérebro.
Para imitar os canais iônicos dependentes de voltagem, os pesquisadores modelaram uma fina camada de água entre folhas de grafeno, que são folhas extremamente finas de carbono. As camadas de água nas simulações eram de uma, duas ou três moléculas de profundidade, que os pesquisadores caracterizaram como uma fenda quase bidimensional. Bocquet disse que os pesquisadores queriam usar este ambiente bidimensional porque as partículas tendem a reagir muito mais fortemente em duas dimensões do que em três, e exibem propriedades diferentes em duas dimensões, que os pesquisadores pensaram que podem ser úteis para seu experimento.
“Na física, duas dimensões são muito estranhas”, disse Bocquet. “Então você espera que coisas novas aconteçam.”
Testando o modelo em uma simulação de computador, os pesquisadores descobriram que, quando aplicaram um campo elétrico ao canal, os íons na água formaram estruturas semelhantes a vermes. Conforme a equipe aplicou um campo elétrico maior na simulação, essas estruturas se quebraram lentamente o suficiente para deixar para trás uma “memória”, ou um indício de configuração alongada.
Quando os pesquisadores executaram uma simulação ligando dois canais e outros componentes para imitar o comportamento de um neurônio, eles descobriram que o modelo poderia gerar picos de atividade elétrica, como potenciais de ação, e que “lembrava” propriedades consistentes em dois estados diferentes – um em que íons conduziu mais eletricidade e um onde conduziu menos. Nesta simulação, a “memória” do estado anterior dos íons durou alguns milissegundos, aproximadamente ao mesmo tempo que leva neurônios reais para produzir um potencial de ação e retornar ao estado de repouso. Este é um tempo bastante longo para os íons, que geralmente operam em escalas de tempo de nanossegundos ou menos. Em um neurônio real, um potencial de ação equivale a uma memória celular no neurônio; nossos cérebros usam a abertura e o fechamento de canais iônicos para criar esse tipo de memória.
“No final das contas, temos uma memória semelhante, mas a razão para o fenômeno é muito diferente”, disse Bocquet.
Fazendo uma ‘memória’
O novo modelo é uma versão de um componente eletrônico chamado memristor, ou resistor de memória, que tem a propriedade única de reter informações de sua história. Mas os memristores existentes não usam líquidos, como o cérebro faz.
“Os memristores típicos com os quais trabalho, e outras pessoas com quem trabalham na literatura, são memristores de estado sólido”, disse Gina Adam, professora assistente de engenharia elétrica e da computação na George Washington University, que não esteve envolvida no estudo. Esta nova pesquisa sobre a criação de memristores fluidos é “muito promissora e muito intrigante”, acrescentou Adam.
Ela também disse que, embora os computadores práticos semelhantes ao cérebro estejam provavelmente muito distantes, esta pesquisa também pode ajudar os cientistas a entender melhor como o cérebro processa as informações e desenvolver novas teorias de computação semelhante ao cérebro.
Desde a realização desta pesquisa com simulações de computador, Bocquet diz que ele e colaboradores da Universidade de Manchester, no Reino Unido, trouxeram sua teoria à vida, usando-a para criar uma sinapse artificial, a parte de um neurônio que transmite sinais elétricos, e eles têm começou a fazer experimentos com ele.
“É emocionante porque agora é um playground”, disse Bocquet. “Podemos explorar essas coisas ativamente.”
Publicado em 09/08/2021 11h48
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