Mosca virtual "ganha vida" em simulação baseada em um cérebro real

Avanço em neurociência computacional permite a um corpo digital controlar movimentos e exibir comportamentos naturais

Pesquisadores anunciaram um avanço considerado histórico na área de neurociência computacional e inteligência artificial: a demonstração de uma emulação completa de cérebro capaz de gerar comportamentos e controlar um corpo simulado.

O experimento foi apresentado pela empresa de biotecnologia Eon Systems, fundada com o objetivo de desenvolver simulações digitais cada vez mais complexas do cérebro.

O modelo reproduz o cérebro da mosca-da-fruta, a espécie Drosophila melanogaster, e foi construído a partir de dados de microscopia eletrônica que mapeiam detalhadamente o conectoma, ou seja, o conjunto completo das conexões neurais.

Diferentemente de simulações anteriores baseadas em aprendizado de máquina, o sistema funciona como uma cópia digital direta da estrutura neural do inseto.

Veja o vídeo:

Créditos: Eon Systems PBC

Como funciona o cérebro virtual

O cérebro simulado deriva de um modelo computacional desenvolvido pelo pesquisador Philip Shiu e colaboradores, baseado no projeto de conectoma conhecido como FlyWire connectome. O sistema reproduz cerca de 140 mil neurônios, mais de 125 mil diretamente envolvidos na emulação, e aproximadamente 50 milhões de conexões sinápticas.

Para operar, o modelo utiliza uma arquitetura conhecida como "integração e disparo com vazamento" (LIF), um tipo de rede neural que simula a atividade elétrica básica dos neurônios. As conexões entre as células também levam em conta previsões sobre os neurotransmissores envolvidos em cada sinapse.

Esse cérebro virtual foi integrado a um corpo digital extremamente detalhado criado a partir do modelo biomecânico NeuroMechFly v2.

O corpo possui 87 articulações independentes e foi reconstruído com base em microtomografia de raios-X de uma mosca real. Toda a simulação ocorre no motor de física MuJoCo, que reproduz restrições físicas realistas.

Um ciclo completo de percepção e movimento

A simulação opera em um ciclo contínuo que se repete a cada 15 milisegundos, conectando o cérebro virtual ao corpo digital em quatro etapas:

estímulos sensoriais do ambiente virtual ativam neurônios sensoriais;

a atividade neural se propaga pela rede do conectoma;

sinais de saída geram comandos motores;

o corpo se move e altera novamente o ambiente sensorial.

Esse processo cria, pela primeira vez em uma emulação completa de cérebro, um ciclo fechado entre percepção e ação.

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Como a mosca percebe o mundo virtual

O sistema inclui diferentes tipos de estímulos sensoriais simulados. Substâncias virtuais como açúcar ou compostos amargos ativam receptores de paladar nas patas ou na probóscide, desencadeando respostas alimentares ou comportamentos de evasão.

O modelo também simula estímulos de tato, como partículas fictícias de poeira que ativam sensores nas antenas, desencadeando comportamentos de limpeza.

Já o sistema visual utiliza um modelo desenvolvido por Lappalainen que reproduz dezenas de milhares de neurônios relacionados à visão.

Embora o sistema visual ainda tenha impacto limitado sobre os movimentos do corpo virtual, os pesquisadores observaram que estímulos visuais, como a aproximação de um objeto, já conseguem ativar neurônios associados a respostas de fuga.

Controle motor simplificado

Para transformar sinais cerebrais em movimentos físicos, os cientistas utilizaram uma abordagem simplificada baseada em neurônios descendentes, responsáveis por transmitir comandos do cérebro para o corpo.

Entre os neurônios utilizados no modelo estão DNa01 e DNa02, ligados à orientação e direção do movimento, o DN1, associado à velocidade para frente, e MN9, responsável pelo controle da probóscide durante a alimentação.

Segundo os pesquisadores, o método funciona de forma semelhante ao ato de dirigir um carro: o sistema acessa apenas controles essenciais, como acelerar, frear ou virar, sem simular todos os processos internos do "motor" biológico.

Comportamentos já observados

Mesmo com simplificações, o cérebro virtual integrado ao corpo digital já demonstrou diferentes comportamentos naturais da mosca, entre eles:

limpeza das antenas, quando detecta estímulos de poeira;

alimentação, após detectar açúcar com as patas ou a probóscide;

busca por alimento, ao explorar o ambiente até encontrar uma fonte nutritiva;

respostas de fuga, ativadas por ameaças repentinas no campo visual.

Limitações do modelo

Os próprios pesquisadores ressaltam que o sistema ainda é uma prova de conceito e possui diversas simplificações.

O modelo neural não reproduz todos os detalhes biofísicos dos neurônios reais, como canais iônicos complexos ou a estrutura completa dos dendritos.

Além disso, o cérebro virtual não possui estados internos típicos de organismos vivos, como fome, saciedade ou motivação reprodutiva, e não incorpora mecanismos de aprendizado ou plasticidade neural.

Outro desafio importante é o acoplamento entre cérebro e corpo: determinar exatamente como traduzir a atividade neural em força mecânica nas articulações ainda exige ajustes manuais ou treinamento artificial.

Próximo passo: cérebros de mamíferos

Apesar das limitações, a equipe considera que a demonstração prova que uma emulação baseada apenas na anatomia do conectoma pode gerar comportamentos sensório-motores complexos.

O objetivo de longo prazo da Eon Systems é ampliar a escala do projeto para organismos mais complexos. O próximo alvo é a emulação completa do cérebro de um camundongo, que possui cerca de 70 milhões de neurônios, aproximadamente 560 vezes mais que o cérebro da mosca.

Para isso, os cientistas estão reunindo grandes volumes de dados neurais usando técnicas de microscopia de expansão para mapear sinapses e milhares de horas de registros de atividade cerebral.

Segundo os pesquisadores, se a tecnologia já demonstrou funcionar com o cérebro de uma mosca, a criação de emulações de cérebros de mamíferos, e possivelmente humanos, pode se tornar, no futuro, "uma questão de escala, não de tipo".

*Sob supervisão de AR.