28/07/2011
Cientistas criam primeira rede neural
artificial usando DNA - O webiste Site Inovação Tecnológica
publicou
reportagem relatando que alguns cientistas construíram uma rede
neural artificial de DNA, criando um circuito de moléculas capazes
de se recordar de memórias com base em padrões incompletos.
No futuro, estes sistemas poderão operar
dentro de células, ajudando a responder questões biológicas
fundamentais ou diagnosticar uma doença.
[Imagem: Caltech/Lulu Qian]
Os cientistas deram um passo importante para a criação
de uma inteligência artificial, não em um robô ou
em um chip de silício ou em um programa de computador, mas dentro
de um tubo de ensaio.
Rede neural líquida
Lulu Qian e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia
construíram uma rede neural artificial de DNA, criando um circuito
de moléculas capazes de se recordar de memórias com base
em padrões incompletos.
É mais ou menos assim que o nosso cérebro faz, quando
um acontecimento inteiro é lembrado a partir de um pequeno "fio
da meada", como a visão de uma foto ou mesmo um cheiro.
A equipe de Qian e Erik Winfree já havia criado um processador
molecular com fitas de DNA, capaz de calcular uma raiz quadrada, mas
agora eles queriam algo mais simples, para demonstrar o conceito de
uma rede neural funcionando em meio líquido, mais próximo
dos sistemas biológicos.
"Nós nos perguntamos se, em vez de uma rede de células
neurais, fisicamente conectadas, uma sopa de moléculas em interação
poderia exibir um comportamento parecido com o do cérebro,"
conta Qian.
E o experimento mostrou que a resposta para a pergunta é sim.
Jogo de leitura da mente
Composta por quatro neurônios artificiais, construídos
com 112 fitas diferentes de DNA, a rede neural é capaz de participar
de "um jogo de leitura da mente, na qual ela tenta identificar
um cientista misterioso".
Os pesquisadores treinaram a rede neural para que ela "conhecesse"
quatro cientistas, cujas identidades são representadas por um
conjunto específico e único de respostas a quatro perguntas
com respostas do tipo "sim ou não".
Depois de pensar em um dos quatro cientistas, um jogador humano fornece
um subconjunto incompleto de respostas, que identifica parcialmente
o cientista no qual ele pensou.
O jogador então transmite as pistas para a rede, colocando no
tubo de ensaio fitas de DNA que correspondem às suas respostas.
Comunicando-se por meio de sinais fluorescentes, a rede neural de DNA
identifica qual é o cientista que o jogador tem em mente.
Ou, caso não consiga a resposta, a rede pode "dizer"
que não tem informações suficientes para escolher
apenas um dos cientistas em sua memória, ou que as pistas contradizem
suas lembranças.
Os pesquisadores jogaram este jogo com a rede utilizando 27 formas
diferentes de responder às perguntas (de um total de 81 combinações),
e ela respondeu corretamente todas as vezes.
Aplicações futuras
Segundos os pesquisadores, sistemas bioquímicos com inteligência
artificial - ou, pelo menos, com algumas capacidades básicas
de tomada de decisão - podem ter aplicações na
medicina, química e na pesquisa biológica.
No futuro, estes sistemas poderão operar dentro de células,
ajudando a responder questões biológicas fundamentais
ou diagnosticar uma doença.
Processos bioquímicos que possam responder de forma inteligente
à presença de outras moléculas poderão permitir
que os engenheiros sintetizem produtos químicos cada vez mais
complexos, ou construam novos tipos de estruturas, molécula por
molécula.
A rede neural é capaz de participar de
"um jogo de leitura da mente, na qual ela tenta identificar um
cientista misterioso". [Imagem: Qian et al./Nature]
Desafios neurais
Mas ainda há muitos desafios a serem vencidos para se chegar
a essas situações hipotéticas.
O primeiro deles é que fazer essa rede neural bioquímica
funcionar dentro do corpo - ou mesmo em uma célula, ou dentro
de um disco de Petri - é algo totalmente diferente do que foi
demonstrado, já que um experimento similar in vivo seria muito
mais complexo e com interações com outras moléculas
que teriam que ser previstas e controladas.
A rede neural líquida também é muito lenta, levando
oito horas para identificar cada cientista misterioso.
E, depois de dada a resposta, as moléculas não são
capazes de se soltar e emparelhar com uma fita de DNA diferente. Ou
seja, a rede somente consegue jogar o seu jogo da memória uma
vez.
Finalmente, enquanto a rede atual tem quatro neurônios, as dificuldades
para construir uma versão apenas um pouco maior - com 40 neurônios
artificiais, por exemplo - são muito grandes, sem contar o tempo
da resposta, que deverá aumentar exponencialmente. Para comparação,
estima-se que um cérebro humano tenha 100 bilhões de neurônios.
Entendendo a evolução
Contudo, vista como uma prova de conceito, o experimento pode ajudar
os cientistas a entender a evolução e o próprio
funcionamento dos organismos biológicos.
"Antes que o cérebro evoluísse, os organismos
unicelulares também eram capazes de processar informações,
tomar decisões, e agir em resposta ao seu ambiente," explica
Qian. E os organismos unicelulares de hoje continuam fazendo isso".
Ele especula que a fonte de tais comportamentos complexos deve ter
sido uma rede de moléculas flutuando na célula:
"Talvez o cérebro altamente evoluído e a forma
limitada de inteligência vista em células individuais
compartilhem um modelo computacional semelhante, que é simplesmente
programado em diferentes substratos."
Modelo de neurônio
Os pesquisadores basearam sua rede neural bioquímica em um modelo
simplificado de um neurônio, chamada de função limiar
linear.
O neurônio modelo recebe os sinais de entrada, multiplica cada
um por um peso positivo ou negativo, e o neurônio dispara, produzindo
uma saída, somente se a soma ponderada das entradas ultrapassar
um certo limiar.
"Este modelo é uma simplificação excessiva
dos neurônios reais," diz Winfree, "mas é uma
boa simplificação."
A técnica para sua construção é a mesma
usada na construção do circuito de DNA capaz de calcular
raízes quadradas.
Bibliografia:
Neural network computation with DNA strand displacement cascades
Lulu Qian, Erik Winfree, Jehoshua Bruck
Nature
20 July 2011
Vol.: 475, 368-372
DOI: 10.1038/nature10262
Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=rede-neural-artificial-dna
