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Aqui está o que você aprenderá lendo esta história:
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Em um novo estudo, os cientistas conseguiram treinar um organoide cerebral derivado de células-tronco de camundongos para resolver um benchmark de engenharia conhecido como “problema do poste do carrinho”.
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Ao aplicar sinais eléctricos fracos ou fortes para reforçar comportamentos específicos utilizando um algoritmo de treino adaptativo de IA, os investigadores descobriram que este pequeno pacote de tecido cerebral melhorou drasticamente o seu desempenho, de uma taxa de sucesso de 4,5% com treino aleatório para mais de 46% com treino adaptativo e aprendizagem reforçada.
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Segundo um biólogo não relacionado com o estudo, este trabalho mostra que “a capacidade computacional adaptativa é intrínseca ao próprio tecido cortical, independente de toda a estrutura que normalmente assumimos ser necessária”.
Embora a criação de órgãos pareça material de ficção científica, os cientistas vêm experimentando a ideia há mais de um século. Por exemplo, em 1907, o biólogo americano Henry Van Peters Wilson demonstrou os princípios básicos dos órgãos, ou “organóides”, cultivados em laboratório, mostrando como células separadas de esponjas marinhas poderiam se auto-organizar e regenerar in vitro. Durante décadas, esta pesquisa continuou em vários animais até que, em 2009, os cientistas criaram o primeiro organoide 3D usando células-tronco intestinais de camundongos.
Nas décadas seguintes organoides tornaram-se cada vez mais complexos proporcionou aos cientistas novas oportunidades para estudar como as células, tecidos e órgãos funcionam no corpo, ao mesmo tempo que proporcionou uma plataforma mais barata e mais ética para o desenvolvimento de potenciais terapias. Um dos casos de uso mais atraentes para organoides tem sido nosso estudo interminável do cérebro, o mais complexo de todos os órgãos. Em um novo estudo publicado no diário Relatórios móveisuma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia (UC) Santa Cruz treinou com sucesso um organoide cerebral desenvolvido a partir de células-tronco derivadas de camundongos para resolver um benchmark de engenharia conhecido como “problema do poste do bonde”. Como esses organoides não possuem corpo, senso de alvos biológicos ou experiência sensorial, esse comportamento de aprendizagem mostra que a computação adaptativa pode ser inerente ao próprio tecido cortical.
“Estamos tentando compreender os fundamentos do ajuste adaptativo dos neurônios para resolver problemas”, UC Santa Cruz, Ph.D. o estudante Ash Robbins, principal autor do estudo, – disse ele em comunicado à imprensa. “Se conseguirmos descobrir o que causa isso no prato, teremos novas maneiras de estudar como as doenças neurológicas podem afetar a capacidade de aprendizagem do cérebro.”
Não maior que um grão de pimenta, mas contendo vários milhões de neurônios, o organoide cerebral foi anexado a um chip especial que permitiu aos cientistas observar e controlar a ativação de certos neurônios. Usando um sistema eletrofisiológico, os pesquisadores usaram estimulação elétrica para enviar e receber informações dos neurônios e, para testar esse sistema, confiaram no clássico “problema do bastão”, que envolve manter o equilíbrio semelhante a segurar uma régua vertical na mão enquanto se ajusta ao movimento e à gravidade. Os pesquisadores “ensinaram” o organoide a equilibrar um poste simulado por computador usando sinais elétricos fracos ou fortes. Se o organoide não conseguisse segurar um poste por mais tempo do que o limite de tempo médio, ele recebia “aprendizado por reforço” por meio de um algoritmo de inteligência artificial que selecionava quais neurônios treinar.
“Você pode pensar nisso como um treinador artificial que diz: ‘Você está fazendo errado, conserte um pouco assim’”, disse Robbins em um comunicado à imprensa. “Estamos aprendendo a melhor forma de dar sinais de coaching.”
Os pesquisadores descobriram que o treinamento aleatório teve uma taxa de sucesso de apenas 4,5%, enquanto o treinamento adaptativo melhorou drasticamente a taxa de sucesso, para 46%. No entanto, quando o organoide descansou por mais de 45 minutos, esse aprendizado de curto prazo quase desapareceu. Como o organoide não possui muitas áreas cerebrais como os humanos (ou camundongos), ele não tem capacidade para aprendizado de longo prazo.
Esta não é a primeira vez que cérebros desenvolvidos em laboratório são treinados para resolver problemas específicos. Em 2022, cientistas treinaram um cérebro sintético aprender a jogar Ponge mais recentemente, outros pesquisadores desenvolveram plataformas neuromórficas usando células cerebrais humanas. O objetivo dos pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, é desenvolver uma plataforma organoide cerebral que possa ajudar os cientistas a tratar distúrbios neurológicos. Mas à medida que a investigação se torna mais avançada – especialmente quando estão envolvidas células estaminais de origem humana – os especialistas também consideram uma questão ética igualmente importante: como vivo são exatamente organoides?
“Queremos deixar claro que o nosso objetivo é avançar na investigação do cérebro e no tratamento de doenças neurológicas, e não substituir controladores robóticos e outros tipos de computadores por tecido cerebral animal cultivado em laboratório”, disse David Haussler, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, coautor do estudo, numa nota de imprensa. “Este último pode ser considerado legal, mas levantaria sérias questões éticas, especialmente se fossem usados organoides do cérebro humano.”
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