Os mistérios do funcionamento do cérebro humano sempre preocuparam os cientistas. Sempre houve tentativas de imitar o cérebro humano. O Projeto Cérebro Humano é uma dessas tentativas. Em que estágio estão os cientistas? Existem sucessos?
O cérebro humano é o computador biológico mais misterioso que conhecemos. Na verdade, não sabemos o suficiente sobre o assunto, apesar dos esforços dos cientistas para aprender sobre o assunto de formas cada vez mais sofisticadas ao longo dos séculos. Somente as tecnologias mais recentes podem nos dar um conhecimento real sobre o qual antes só podíamos adivinhar. Isto não muda o facto de ainda estarmos longe da plena consciência. Em que estágio estão os cientistas modernos?
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O termo "inteligência artificial"
Na década de 1950, quando o termo “inteligência artificial” apareceu pela primeira vez na ciência e os investigadores de IA provaram com sucesso que era possível ensinar uma máquina a fazer coisas que não conseguiríamos fazer sozinho, eles ficaram entusiasmados com isso. A simples possibilidade de uma máquina aprender, provar teoremas matemáticos por si só (isto foi feito, por exemplo, com o programa Logic Theorist desenvolvido em 1955 por Allen Newell e Herbert Simon), ou jogar damas e vencer um humano (programa de Arthur Samuel, um engenheiro da IBM, mais tarde professor na Universidade de Stanford), levou o mundo científico a acreditar que uma simulação completa do cérebro humano estava apenas a alguns anos de distância.
Décadas se passaram e, apesar do enorme crescimento no poder da computação, do desenvolvimento de redes neurais artificiais e de algoritmos de IA com aprendizado de máquina profundo, ainda estamos longe de simular até mesmo fragmentos do cérebro. Simplificando, os pioneiros da IA da segunda metade do século 20 subestimaram muito as capacidades dessa “massa gelatinosa” em nossas tartarugas, que é 90% água.
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O cérebro é complexo
Ao nascer, o cérebro humano pesa aproximadamente 300 g. Um cérebro adulto totalmente desenvolvido pesa aproximadamente 1,5 kg. Este 1,5 kg contém todo o nosso universo e todas as faculdades mentais que possuímos. Não só os conscientes, como o pensamento abstrato, a criatividade, mas também aqueles que não temos consciência: motilidade dos movimentos, controle do aparelho circulatório, respiração e muito, muito mais.
É uma afirmação popular entre os cientistas que o cérebro humano consiste em aproximadamente 100 bilhões de neurônios. Não sabemos o seu número exato e pode diferir em cada indivíduo da espécie humana. Mas vamos supor que isso seja verdade e que esse número não seja tão pequeno. 100 bilhões é muito, mas os supercomputadores modernos podem simular objetos ainda maiores. Porém, o problema é que um neurônio é algo muito mais complexo do que, por exemplo, um texel em gráficos 3D, um pixel em uma imagem ou qualquer outro objeto que possa ser descrito com apenas um pequeno trecho de código.
Os neurônios do nosso cérebro estão conectados uns aos outros. Não se trata de conexões físicas, pois assim os impulsos elétricos gerados nos neurônios individuais se espalhariam rapidamente por todo o corpo, o que praticamente impossibilitaria seu funcionamento. A transmissão de informações em nosso cérebro é baseada tanto na eletricidade (impulsos) quanto na química (neurotransmissores). Cada neurônio (lembremos a imagem agora popular de um neurônio como uma "árvore" com dendritos característicos) pode ser conectado a outros com a ajuda de até dez mil conexões sinápticas.
Concordo, 10000 conexões de uma célula nervosa são um nível de complexidade muito maior do que portas lógicas em transistores. Se tentarmos contar o número de todas as conexões possíveis entre os neurônios e os estados que eles podem obter em um determinado momento (apenas um), obteremos um número enorme que excede em muito o número estimado de átomos em todo o universo observável. Utilizando esta abordagem, muitos cientistas especializados em neurobiologia e também com formação em ciência da computação acreditam que, mesmo com o nível atual de conhecimento e o seu esperado desenvolvimento, uma simulação completa de um órgão tão complexo é uma tarefa que excederá as nossas capacidades para muito tempo. Mas isso não significa que os cientistas não façam nada e não tenham conseguido nada. Vejamos alguns projetos que visam simular, senão toda a mente humana, pelo menos parte dela.
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40 minutos e um segundo
Em 2013, cientistas japoneses do Instituto de Tecnologia de Okinawa e pesquisadores alemães do Forschungszentrum Jülich uniram forças e utilizaram um dos supercomputadores mais poderosos do nosso planeta na época (chamado K Computer, líder da lista Top500 em 2011) com poder computacional de 8,16 PFLOPS (ou 8,16 quatrilhões de operações de ponto flutuante por segundo) para tentar simular apenas uma fatia do cérebro. No geral, a simulação consistiu em mapear o trabalho de 1,73 bilhão de neurônios, que juntos criaram uma rede de 10,4 trilhões de conexões sinápticas. Isso representa pouco mais de 1% do potencial daquela “geléia” biológica presa em seu crânio. A simulação usou toda a potência dos processadores 82944 Sparc64 VIIIfx (um sistema tem frequência de clock de 2 GHz e 8 núcleos). Essa abordagem funcionou?
Segundo os cientistas, sim, mas por outro lado... depende de como você encara as coisas. Aproximadamente 40 minutos de operação deste supercomputador duraram uma simulação de apenas 1 segundo de operação do referido fragmento da rede neural do cérebro. Portanto, embora o facto de a simulação ter sido realizada possa ser considerado um sucesso, porque os efeitos, o tempo de cálculo e o volume da simulação mostram o enorme problema que enfrentamos aqui. E é preciso lembrar que com o aumento do número de neurônios, a complexidade da rede sináptica aumenta não linearmente, mas exponencialmente! Se mesmo o supercomputador americano atualmente mais rápido, Frontier, operando no Laboratório Nacional de Oak Ridge e tendo um poder computacional de até 1102 PFLOPS, ou seja, 135 vezes maior que o mencionado computador K japonês, fosse usado para a mesma tarefa, isso não significaria que o Frontier poderia simular (com os mesmos parâmetros do modelo) uma rede neural 135 vezes maior. A mesma simulação de um segundo real de uma rede de 1,73 bilhão de neurônios durará em um supercomputador americano não 40 minutos, mas menos de 18 segundos. Mas isso ainda é muito mais do que uma simulação de rede real em tempo real e é apenas uma pequena parte do que temos em mente. Simular o funcionamento de toda a mente ainda pertence ao domínio da ficção científica. Mas os cientistas ainda estão tentando.
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Projeto Europeu do Cérebro Humano
O Projeto Cérebro Humano (HBP) em termos de escala e recursos alocados para este projeto científico pode ser comparado com outro projeto relacionado ao homem - o famoso projeto “Gene Humano”, que durou de 1990 a 2003. Para compreender completamente o genoma humano, o Projeto Cérebro Humano visa ajudar os cientistas a compreender melhor o nosso cérebro. No entanto, o Projeto Cérebro Humano, que está em andamento desde 2013 e originalmente deveria terminar após uma década de pesquisa (ou seja, em 2023), não chega nem perto de simular o cérebro inteiro. Então, quais objetivos os cientistas planejam alcançar com esta pesquisa?
O principal objetivo da HBP não é simular todo o cérebro, pois espero já termos mostrado que esta tarefa está além das capacidades da nossa civilização hoje. O objetivo é dominar pelo menos parcialmente a complexidade do cérebro. Isto ajudará no desenvolvimento de ciências como a medicina, a ciência da computação, a neurologia, bem como no desenvolvimento de tecnologias cujo trabalho é inspirado na forma como as nossas mentes funcionam.
Um dos resultados do projeto HBP é a criação de uma plataforma digital para pesquisa do cérebro, a EBRAINS. EBRAINS é uma plataforma de código aberto que permite que pesquisadores de todo o mundo utilizem ferramentas digitais disponíveis em um ambiente de nuvem seguro. Em outras palavras, o EBRAINS fornece aos cientistas as ferramentas para modelar e analisar o funcionamento de áreas individuais do cérebro.
Uma dessas ferramentas é o programa de simulação cerebral virtual criado pela HBP e EBRAINS. Essa ferramenta é totalmente incapaz de simular o funcionamento de todo o cérebro, mas permite, por exemplo, que pesquisadores de novos medicamentos simulem seus efeitos em grupos de neurônios. Isto, por sua vez, permitirá aos cientistas desenvolver novos tratamentos úteis para doenças complexas como a doença de Alzheimer, depressão, doença de Parkinson e muito mais.
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Iniciativa BRAIN dos EUA
Um projeto ainda maior e mais recente iniciado por instituições de pesquisa americanas é a US BRAIN Initiative. Este é outro projeto de pesquisa plurianual e multibilionário que visa mapear o conectoma humano. O que é uma conexão? Este é um conjunto de conexões nervosas deste organismo. Assim como o genoma é um mapa completo da cadeia genética, e o proteoma é um mapa completo das proteínas de um determinado organismo. Já conhecemos o genoma humano, a sua descoberta custou milhares de milhões de dólares. Hoje, os testes do genoma estão amplamente disponíveis e, por exemplo, os testes genéticos para a presença de um defeito custam várias centenas de dólares. Um genoma completo é um pouco mais caro, mas ainda assim muito menor do que o custo da primeira leitura de DNA humano.
Voltemos ao Connectome e ao projeto americano BRAIN. Qual é o objetivo deste projeto? Josh Gordon, diretor do Instituto Nacional de Saúde Mental dos EUA em Bethesda, Maryland, disse: “Conhecer todos os tipos de células cerebrais, como elas se conectam entre si e como interagem abrirá um novo conjunto de terapias que hoje conhecemos. nem consigo imaginar." Atualmente, o maior catálogo mundial de tipos de células nervosas está sendo criado e desenvolvido sistematicamente. Este catálogo, denominado BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), descreve quantos tipos diferentes de células existem no cérebro, em que proporções ocorrem, como estão distribuídas espacialmente e que interações ocorrem entre elas.
De onde vem essa abordagem? Da necessidade de entender como funciona o cérebro. As vantagens desta abordagem são explicadas numa declaração à Nature pelo neurocientista Christoph Koch, principal cientista do programa MindScope, que é implementado pelo Allen Institute for Brain Science em Seattle: "Assim como nada na química faz sentido sem a tabela periódica de elementos, nada fará sentido na compreensão do cérebro sem compreender a existência e o funcionamento de tipos individuais de células."
Se, hipoteticamente, atingíssemos o potencial tecnológico para podermos digitalizar célula a célula e, por exemplo, recriar o cérebro humano, tal abordagem significaria que, mesmo que conseguíssemos (o que não é realista hoje), ainda não compreenderíamos por que razão o cérebro funciona como realmente acontece. E não importa se estamos falando do cérebro como um órgão biológico vivo ou de sua contraparte digital, hipoteticamente clonada. CÉREBRO e diretório BICCN são pontos de partida para a compreensão da estrutura e funcionamento de cada circuito neural e, portanto, para a compreensão do comportamento complexo que governa todas as espécies com um órgão tão complexo como o cérebro.
A pesquisa continua e os cientistas apresentam constantemente suas novas conquistas em um site especialmente criado. Portanto, tenho certeza de que em breve descobertas ainda mais interessantes nos aguardam.
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