Robótica

Neuroengenharia imita funções complexas do cérebro

Neuroengenharia imita funções complexas do cérebro
Análise da dinâmica neural por imageamento por fluorescência de cálcio (topo) e conectividade funcional estimada pela dinâmica da rede (parte inferior).[Imagem: H. Yamamoto et al. - 10.1126/sciadv.aau4914]

Engenharia neural

Se queremos construir computadores que imitem o cérebro humano em toda a sua glória, precisamos antes saber como o cérebro se concentra em cada tarefa, processando informações úteis e descartando as desnecessárias à tarefa em mente.

Uma ferramenta de neuroengenharia permitiu agora projetar pela primeira vez circuitos neuronais in vitro que imitam a capacidade de integração-segregação do cérebro.

Esta nova tecnologia abre o caminho para descobrir os segredos dessa dinâmica oposta, que coexiste em um único circuito cerebral, e reproduzi-la em circuitos sintéticos ou artificiais.

Integração e segregação no cérebro

Uma das coisas que torna o cérebro único é sua capacidade de alternar entre diferentes estados, o que acontece tanto internamente quanto em resposta a estímulos externos. Por exemplo, estímulos vindos da visão, da audição ou do olfato são processados de maneira segregada - a segregação - no córtex cerebral, com os resultados mais tarde integrados - a integração - total ou parcialmente de acordo com as informações de que o cérebro necessita.

Por exemplo, integramos imagens e sons quando assistimos a um filme, descartando odores e outros estímulos que o ambiente nos forneça. Mas, se percebemos um cheiro de queimado, o cérebro ativa mecanismos de alerta para integrar e analisar todas as informações disponíveis e agir se a casa estiver pegando fogo.

Apesar da importância de equilibrar os estados integrados e segregados, os mecanismos biofísicos de como isso é realizado em um único circuito não são bem compreendidos. Além disso, a sensibilidade do equilíbrio integração-segregação em relação ao número de conexões físicas entre as regiões do cérebro ainda é desconhecida.

É por isso que reproduzir esse mecanismo em laboratório é tão importante.

Neuroengenharia imita funções complexas do cérebro
Parece um chip comum, mas seu funcionamento baseia-se no disparo de neurônios vivos. [Imagem: H. Yamamoto et al. - 10.1126/sciadv.aau4914]

Neuroengenharia

Uma equipe da Espanha e do Japão desenvolveu agora um modelo cerebral in vitro formado por quatro módulos interconectados. Cada módulo representa um circuito neural especializado, como visão ou audição. Esses quatro módulos são cobertos por proteínas adesivas, onde os neurônios se desenvolvem. Por sua vez, esses neurônios estão conectados entre si dentro de um módulo e com outros neurônios em módulos separados.

A neuroengenharia de precisão, já usada para controlar robôs, permite controlar as conexões que vão de um módulo para outro, permitindo um controle gradual do acoplamento físico entre os módulos. Os estímulos neste modelo correspondem a ativações neurais espontâneas. O circuito é totalmente integrado ou segregado quando o número de conexões entre os módulos é muito grande ou muito pequeno.

O circuito ideal, que equilibra os dois estados, emerge quando os quatro módulos apresentam uma conectividade logo abaixo do mínimo para integrar, de modo que pulsos de atividade neural podem ser reforçados em cada módulo para completar a integração ou inibi-la.

"Efetivamente, este circuito ótimo - ativado espontaneamente - funciona em um regime onde a integração e a segregação coexistem. É claro que a dinâmica observada ainda está longe da complexidade do cérebro real, mas fomos capazes de entender os mecanismos fundamentais que moldam a dinâmica cerebral," disse o professor Hideaki Yamamoto, da Universidade de Tohoku, no Japão.

Bibliografia:

Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks
H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata
Science Advances
Vol.: neuroengenharia-in-vitro-4.
DOI: 10.1126/sciadv.aau4914




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