Os modelos de IA do cérebro podem servir como ‘gêmeos digitais’ na pesquisa

Assim como um piloto pode praticar manobras em um simulador de vôo, os cientistas poderão em breve realizar experimentos em uma simulação realista do cérebro do rato. Em um novo estudo, os pesquisadores e colaboradores de Stanford Medicine usaram um modelo de inteligência artificial para construir um “gêmeo digital” da parte do cérebro do mouse que processa informações visuais.

O gêmeo digital foi treinado em grandes conjuntos de dados de atividade cerebral coletados do córtex visual de ratos reais enquanto assistiam clipes de filmes. Poderia então prever a resposta de dezenas de milhares de neurônios a novos vídeos e imagens.

Os gêmeos digitais podem tornar o estudo do funcionamento interno do cérebro mais fácil e eficiente.

“Se você construir um modelo do cérebro e é muito preciso, isso significa que você pode fazer muito mais experimentos”, disse Andreas Tolias, Ph.D., Professor de Oftalmologia de Stanford Medicine e autor sênior do estudo publicado em 9 de abril em Natureza. “Os que são os mais promissores que você pode testar no cérebro real”.

O principal autor do estudo é Eric Wang, Ph.D., um estudante de medicina da Baylor College of Medicine.

Além da distribuição de treinamento

Ao contrário dos modelos anteriores de IA do córtex visual, que podem simular a resposta do cérebro apenas ao tipo de estímulo que eles viram nos dados de treinamento, o novo modelo pode prever a resposta do cérebro a uma ampla gama de novas entradas visuais. Pode até supor características anatômicas de cada neurônio.

O novo modelo é um exemplo de modelo de fundação, uma classe relativamente nova de modelos de IA capaz de aprender com grandes conjuntos de dados e, em seguida, aplicar esse conhecimento a novas tarefas e novos tipos de dados – ou o que os pesquisadores chamam de “generalizar fora da distribuição do treinamento”. (O ChatGPT é um exemplo familiar de um modelo de fundação que pode aprender com vastas quantidades de texto para entender e gerar novo texto.)

“De muitas maneiras, a semente da inteligência é a capacidade de generalizar com robustez”, disse Tolias. “O objetivo final – o Santo Graal – é generalizar para cenários fora da sua distribuição de treinamento”.

Filmes de mouse

Para treinar o novo modelo de IA, os pesquisadores gravaram a atividade cerebral de ratos reais enquanto assistiam filmes-filmes de pessoas para pessoas. Os filmes idealmente se aproximariam do que os ratos poderiam ver em ambientes naturais.

“É muito difícil provar um filme realista para ratos, porque ninguém faz filmes de Hollywood para ratos”, disse Tolias. Mas os filmes de ação chegaram perto o suficiente.

Os ratos têm uma visão de baixa resolução-semelhante à nossa visão periférica-o que significa que eles vêem principalmente o movimento em vez de detalhes ou cores. “Os ratos como o movimento, o que ativa fortemente seu sistema visual, por isso mostramos filmes que têm muita ação”, disse Tolias.

Em muitas sessões de visualização curta, os pesquisadores registraram mais de 900 minutos de atividade cerebral de oito ratos assistindo clipes de filmes cheios de ação, como Mad Max. As câmeras monitoraram seus movimentos e comportamentos oculares.

Os pesquisadores usaram os dados agregados para treinar um modelo principal, que poderia ser personalizado em um gêmeo digital de qualquer mouse individual com um pouco de treinamento adicional.

Previsões precisas

Esses gêmeos digitais foram capazes de simular de perto a atividade neural de seus colegas biológicos em resposta a uma variedade de novos estímulos visuais, incluindo vídeos e imagens estáticas. A grande quantidade de dados de treinamento agregados foi fundamental para o sucesso dos gêmeos digitais, disse Tolias. “Eles foram impressionantemente precisos porque foram treinados em conjuntos de dados tão grandes”.

Embora treinados apenas na atividade neural, os novos modelos poderiam generalizar para outros tipos de dados.

O gêmeo digital de um mouse em particular conseguiu prever os locais anatômicos e o tipo de célula de milhares de neurônios no córtex visual, bem como as conexões entre esses neurônios.

Os pesquisadores verificaram essas previsões em relação à imagem de microscópio eletrônico de alta resolução do córtex visual do mouse, que fazia parte de um projeto maior para mapear a estrutura e a função do córtex visual do camundongo em detalhes sem precedentes. Os resultados desse projeto, conhecidos como microns, foram publicados simultaneamente em Natureza.

Abrindo a caixa preta

Como um gêmeo digital pode funcionar há muito tempo a vida útil de um mouse, os cientistas podem realizar um número praticamente ilimitado de experimentos essencialmente o mesmo animal. Experimentos que levariam anos poderiam ser concluídos em horas e milhões de experimentos podem ser executados simultaneamente, acelerando a pesquisa sobre como o cérebro processa informações e os princípios da inteligência.

“Estamos tentando abrir a caixa preta, por assim dizer, entender o cérebro no nível de neurônios ou populações individuais de neurônios e como eles trabalham juntos para codificar informações”, disse Tolias.

De fato, os novos modelos já estão produzindo novas idéias. Em outro estudo relacionado, também publicado simultaneamente em Naturezaos pesquisadores usaram um gêmeo digital para descobrir como os neurônios no córtex visual escolhem outros neurônios para formar conexões.

Os cientistas sabiam que neurônios semelhantes tendem a formar conexões, como pessoas formando amizades. O gêmeo digital revelou quais semelhanças mais importavam. Os neurônios preferem se conectar com os neurônios que respondem ao mesmo estímulo – a cor azul, por exemplo – neurônios que respondem à mesma área de espaço visual.

“É como alguém selecionando amigos com base no que eles gostam e não onde estão”, disse Tolias. “Aprendemos essa regra mais precisa de como o cérebro está organizado”.

Os pesquisadores planejam estender sua modelagem a outras áreas do cérebro e a animais, incluindo primatas, com capacidades cognitivas mais avançadas.

“Eventualmente, acredito que será possível construir gêmeos digitais de pelo menos partes do cérebro humano”, disse Tolias. “Esta é apenas a ponta do iceberg.”

Pesquisadores da Universidade Göttingen e do Instituto Allen de Ciência do Cérebro contribuíram para o trabalho.