Cientistas do Porto criam inteligência artificial que aprende a conversar com neurónios

No interior de uma sala isolada e esterilizada, aglomerados de células cerebrais vivas habitam caixas de vidro microscópicas. Embora estejam fora do corpo humano, estas estruturas biológicas mantêm a sua atividade primordial, trocando pequenos impulsos elétricos a cada milissegundo.

Nas margens deste microbanco de ensaios, um computador potente regista detalhadamente cada descarga de energia. Através de um código matemático avançado, a máquina ensaia uma forma inédita de diálogo com a biologia, calculando o instante exato para enviar um estímulo elétrico de resposta.

O plano científico acaba de garantir um financiamento de cem mil euros no Concurso de Projetos Exploratórios do Programa CMU Portugal. Sob a liderança do investigador Paulo Aguiar, do Instituto de Investigação e Inovação em Saúde da Universidade do Porto, a iniciativa conta ainda com a parceria da Universidade Carnegie Mellon, nos Estados Unidos, onde a investigadora Yorie Nakahira coordena a vertente norte-americana.

A réplica do cérebro em miniatura

Como o desenvolvimento deste modelo tecnológico envolve riscos evidentes, as primeiras etapas da investigação decorrem longe do cérebro humano. Os cientistas contornam esse obstáculo através de uma tecnologia de ponta que mimetiza órgãos em chips.

A base destes pequenos dispositivos de ensaio apresenta dezenas de agulhas microscópicas chamadas de microelétrodos. Sempre que os neurónios cultivados comunicam entre si, esses sensores detetam as correntes elétricas geradas na placa.

Em sentido inverso, os mesmos pinos emitem descargas elétricas inofensivas de baixa intensidade. Os dados gerados seguem para computadores através de redes de aquisição de informação ultrarrápidas, servindo de campo de treino para a inteligência artificial.

O ciclo contínuo da aprendizagem autónoma

A evolução do algoritmo assenta numa metodologia conhecida como aprendizagem por reforço. Trata-se, no fundo, de um ciclo dinâmico onde o programa de computador atua como um observador atento do circuito biológico.

Este processamento de dados em tempo real permite ao dispositivo compreender as particularidades de cada rede neuronal. O sistema matemático calcula com precisão a intensidade e a localização exata do disparo necessário.

Ao monitorizar as flutuações da atividade biológica, a tecnologia ajusta as respostas, evitando qualquer tipo de sobreestimulação prejudicial aos tecidos vivos.

A superação dos implantes tradicionais

A aplicação prática desta investigação está sobretudo centrada na melhoria substancial dos sistemas de estimulação cerebral profunda. Os aparelhos clínicos convencionais atuam de forma rígida, emitindo impulsos elétricos contínuos idênticos durante todo o dia.

Esta atividade constante dos implantes antigos acarreta problemas secundários significativos, uma vez que a eletricidade contínua atinge frequentemente zonas cerebrais saudáveis vizinhas. Esse efeito colateral traduz-se em dificuldades na fala, alterações súbitas de humor ou perturbações na mobilidade.

Ao introduzir um modelo adaptativo em circuito fechado, o NeuroSAFE permite que o implante permaneça em silêncio, agindo exclusivamente quando os neurónios começam a falhar.

A poupança cirúrgica e o ganho energético

Outro benefício desta gestão inteligente prende-se com a eficiência energética do dispositivo médico. Os implantes não recarregáveis exigem intervenções cirúrgicas invasivas a cada poucos anos, destinadas unicamente a substituir as baterias gastas.

Ao aplicar energia apenas quando é estritamente necessário, o consumo geral do aparelho sofre uma drástica redução.

Para o doente, este avanço representa a poupança de várias cirurgias de revisão ao longo da sua vida. A calibração contínua do algoritmo permite ainda que o sistema se adapte ao envelhecimento natural do paciente e à evolução progressiva da própria patologia.

O horizonte clínico contra o curto-circuito neuronal

A flexibilidade demonstrada pelo algoritmo desenvolvido na Universidade do Porto abre perspetivas terapêuticas vastas para a medicina moderna. A capacidade de ler, interpretar e corrigir anomalias elétricas em tempo real pode ser aplicada em qualquer patologia que resulte de uma falha de comunicação nas redes biológicas.

O mesmo princípio teórico poderá alargar-se ao tratamento da perturbação obsessivo-compulsiva grave, dores crónicas intratáveis e depressões profundas resistentes aos fármacos comuns.

No futuro, a estabilização destas ligações elétricas poderá também ajudar a combater o declínio cognitivo associado à doença de Alzheimer, devolvendo o equilíbrio aos circuitos da mente humana.