Computadores neurais: cientistas querem reproduzir cérebro de gato

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Pesquisadores comprovaram que os memristores, uma espécie de elo perdido da eletrônica, podem ser a base para a construção de circuitos artificiais neuromórficos, que imitam o funcionamento do cérebro. [Imagem: NanoLetters]

Cérebro de gato artificial

Um gato é capaz de reconhecer um rosto mais rapidamente e de forma mais eficiente do que o mais rápido supercomputador existente hoje.

Esta foi uma das razões pelas quais um grupo de cientistas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, resolveu inspirar-se no cérebro do felino para criar um novo tipo de computador, inspirado na biologia.

O objetivo é mais do que construir uma nova forma de reconhecer padrões: se tiverem sucesso, sua máquina será capaz de aprender e fazer um número de tarefas simultâneas e tomar decisões que não podem ser programadas em um computador.

Memristor

Embora a inspiração na natureza nunca tenha faltado, e nem tampouco o sonho de fazer máquinas pensantes, a equipe do professor Wei Lu acredita agora ter a peça fundamental que lhes permitirá construir uma máquina verdadeiramente neural.

Essa peça atende pelo nome de memristor, uma espécie de elo perdido da eletrônica, um componente eletrônico com um comportamento similar ao de um resistor, mas capaz de "lembrar do passado", o que significa que ele funciona como uma memória não-volátil - memristor é uma junção dos termos memória e resistor.

Ao contrário de um resistor comum, que oferece uma resistência fixa à passagem da corrente, a resistência de um memristor é controlada pela "memória" das correntes e das tensões às quais ele já foi exposto. Para saber mais detalhes sobre o memristor, veja a reportagem Elo perdido da eletrônica permitirá computador que aprende.

O primeiro memristor foi criado há apenas dois anos. Como ele foi construído com dióxido de titânio, era difícil integrá-lo com os chips à base de silício. Vários pesquisadores tentaram construir memristores de silício, mas todos apresentam uma alteração abrupta na resistência.

Sinapse artificial

Lu e sua equipe construíram o seu próprio memristor e verificaram que ele pode substituir um transístor tradicional e emular uma sinapse biológica. A vantagem é que o seu memristor contém silício e ainda assim consegue funcionar de forma suave.

O fluxo de corrente que pode passar por um memristor tem a ver com o movimento iônico em seu interior, com a resistência variando conforme esses íons se movem. Os primeiros resistores com memória utilizavam um eletrodo de prata para injetar os íons no silício. Mas essa estrutura acaba criando canais de condução no componente, fazendo com que a resistência se altere abruptamente.

A equipe do professor Lu eliminou o eletrodo de prata, aplicando tanto a prata quanto o silício na forma de películas com cerca de 25 nanômetros de espessura. Isso permite o controle preciso da taxa entre as duas substâncias, garantindo o funcionamento suave do memristor.

Agora, eles demonstraram que seu novo memristor pode conectar circuitos eletrônicos convencionais e sustentar um processo que é fundamentalmente o que se acredita ser a base da memória e do aprendizado verificado em sistemas biológicos.

"Nós estamos construindo um computador da mesma maneira que a natureza constrói um cérebro", arrisca-se o professor Lu. "A ideia é usar um paradigma completamente diferente em relação aos computadores convencionais. O cérebro do gato representa uma meta realista porque ele é muito mais simples do que um cérebro humano, ainda que seja extremamente difícil de replicar em termos de complexidade e eficiência."

Rotas neurais

Em um computador, as funções lógicas e de memória estão localizadas em partes diferentes do circuito e cada unidade capaz de fazer um cálculo liga-se apenas aos seus vizinhos mais próximos.

Com isso, os computadores executam as instruções dos programas de forma linear, linha por linha.

Já no cérebro de um mamífero, os neurônios são conectados entre si por sinapses, que funcionam como interruptores reconfiguráveis, que podem formar rotas ligando milhares de neurônios.

O mais importante em seu funcionamento é que as sinapses conseguem se lembrar dessas rotas com base na intensidade e no sincronismo dos sinais elétricos gerados pelos neurônios.

O grande número de rotas estabelecidas significa que o cérebro pode executar operações paralelamente de forma natural e intensiva.

É por isso que nós e os gatos podemos reconhecer um rosto instantaneamente no meio de uma multidão, enquanto um supercomputador vai demorar muito tempo e gastar um bocado de energia para fazer o mesmo.

Plasticidade cerebral

O memristor retém a memória das conexões e ainda é capaz de um processo de aprendizado chamado "plasticidade dependente da temporização." [Imagem: Wei Lu]

Até agora, porém, Lu conectou apenas dois blocos lógicos eletrônicos usando o lendário memristor.

Mas foi o suficiente para demonstrar que ele retém a memória das conexões e ainda é capaz de um processo de aprendizado chamado "plasticidade dependente da temporização."

Esse tipo de plasticidade refere-se à capacidade que as conexões entre os neurônios têm de se tornarem mais fortes dependendo dos intervalos dos disparos dos neurônios associados.

Os cientistas acreditam que esta plasticidade dependente do tempo seja a base da memória e do aprendizado no cérebro dos mamíferos.

O sucesso do cérebro de gato artificial dependerá, obviamente da "correção" dessa teoria - se é mesmo esta plasticidade, e somente ela, que fundamenta o aprendizado. E da possibilidade de replicar as interconexões com os memristores para um número muito maior de circuitos.

Computadores inspirados na biologia

Mesmo que a tentativa de replicar um cérebro de mamífero encontre desafios ainda não computados, os primeiros resultados das pesquisas com os memristores mostram uma possibilidade concreta de que máquinas equivalentes aos supercomputadores atuais tenham o tamanho de um smartphone ou, no máximo, de um iPad - dentro de alguns anos.

Apesar de alguns pesquisadores menos realistas sonharem com a construção de um cérebro humano artificial em 10 anos, as pesquisas de inspiração biológica parecem ser um caminho natural para a construção de computadores mais espertos do que os atuais.

Um grupo europeu está tentando construir um cérebro em um chip e até um neurônio artificial já foi demonstrado. Mas talvez o cérebro de gato do professor Lu sinta-se mais à vontade com o computador cognitivo inspirado no cérebro de um camundongo ou com o robô controlado por neurônios de rato.

Bibliografia:

Nanoscale Memristor Device as Synapse in Neuromorphic Systems
Sung Hyun Jo, Ting Chang, Idongesit Ebong, Bhavitavya B. Bhadviya, Pinaki Mazumder, Wei Lu
Nano Letters
April 2010
Vol.: 2010, 10 (4), pp 1297-1301
DOI: 10.1021/nl904092h