Como funcionam os neurônios artificiais equivalentes aos biológicos

Pela primeira vez, um neurônio artificial conseguiu se comunicar com um neurônio biológico usando o mesmo nível de energia e a mesma voltagem que o cérebro humano. O resultado: uma conversa tão eficiente quanto aquela que acontece em nossas próprias sinapses.

A proeza foi publicada na revista Nature Communications, em um estudo que descreve o desenvolvimento de um neurônio sintético capaz de operar com apenas 0,1 volt – a mesma tensão elétrica utilizada pelos neurônios naturais. 

“Nosso cérebro processa uma quantidade enorme de dados”, diz Shuai Fu, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação  e principal autor do estudo, em comunicado. “Mas seu consumo de energia é muito, muito baixo, especialmente em comparação com a quantidade de eletricidade necessária para executar um Modelo de Linguagem Grande, como o ChatGPT.”

Modelos anteriores precisavam de dez vezes mais voltagem e até cem vezes mais energia para gerar sinais semelhantes, explica o engenheiro Jun Yao, autor sênior da pesquisa. Para a comparação, os autores explicam que esse excesso de voltagem equivale a um grito: é como se o neurônio artificial “gritando” para um neurônio humano típico. Acontece que o berro consome muita energia e corre o risco de sobrecarregar o receptor e perder o cerne da mensagem.

A chave da inovação está em um material de origem biológica: nanofios de proteína cultivados por bactérias Geobacter sulfurreducens. O pulo do gato é que essas bactérias têm um superpoder: elas são capazes de gerar eletricidade. 

Diferente dos condutores artificiais tradicionais, esses nanofios conseguem funcionar em ambientes úmidos, como os tecidos biológicos, sem se degradar. Essas proteínas formam fios condutores extremamente finos e resistentes, explica Yao, que nos permitem criar dispositivos que imitam e interagem com a biologia.

Essa abordagem inaugura o que os cientistas chamam de integração neuromórfica, um campo emergente que busca aproximar o funcionamento dos sistemas eletrônicos do cérebro humano. A meta, dizem os pesquisadores, é criar máquinas que não apenas processem informações, mas que também “pensem” e reajam como um organismo vivo.

A inovação pode transformar o design de implantes neurais, sensores vestíveis e interfaces cérebro-computador. Atualmente, dispositivos biomédicos precisam amplificar os sinais elétricos do corpo para que possam ser interpretados por um computador – um processo que consome energia e gera ruído nos dados.

“Atualmente, temos todos os tipos de sistemas eletrônicos de detecção vestíveis”, diz Yao, “mas eles são desajeitados e ineficientes”. Isso porque, cada vez que esses sistemas detectam um sinal do nosso corpo, eles precisam amplificá-lo eletricamente para que um computador possa analisá-lo.

“Essa etapa intermediária de amplificação aumenta tanto o consumo de energia quanto a complexidade do circuito, mas sensores construídos com nossos neurônios de baixa voltagem poderiam dispensar qualquer amplificação.”

Na prática, isso poderia permitir desde implantes cerebrais mais sutis e de baixo consumo energético até tecnologias médicas capazes de monitorar o corpo em tempo real, reagindo com precisão e rapidez – quase como o próprio sistema nervoso humano.

Os engenheiros de Amherst veem nisso o prenúncio de uma nova era – não apenas da inteligência artificial, mas de uma inteligência híbrida, na qual máquinas e organismos compartilham uma mesma linguagem elétrica.

Com os nanofios, a equipe de pesquisadores já projetou uma série de dispositivos extraordinariamente eficientes: um biofilme, alimentado por suor, que pode alimentar eletrônicos pessoais; um “nariz eletrônico” que pode farejar doenças; e um dispositivo que pode coletar eletricidade do próprio ar.