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Neuristor: memristores usados para criar comportamentos similares a neurônios

6 de abril de 2013



“Neuristor”: memristores* usados para criar comportamentos similares a neurônios



O dispositivo de estado sólido produz resultados que se parecem com picos de atividade neural.


John Timmer**


O hardware usado em computação é composto por uma série de chaveamentos binários; ou eles estão ligados, ou estão desligados. Um outro hardware computacional que conhecemos bem, o cérebro, não funciona assim. Ao invés de estarem ligados ou desligados, os neurônios exibem individualmente picos curtos de atividade, e codificam a informação através do padrão e da cronologia desses picos. As diferenças entre eles sempre dificultaram a modelagem de neurônios usando hardware de computação. De fato, a geração bem-sucedida de um sistema neural flexível recentemente exigiu que cada neurônio fosse modelado separadamente em software para se obter o tipo de comportamento de picos que os neurônios de verdade mostram.


Mas pesquisadores podem ter descoberto uma forma de criar um chip que gera picos. A equipe dos laboratórios da HP que tem trabalhado nos memristores descobriu uma combinação de memristores e capacitores que consegue criar um padrão de saída de picos. Apesar destes picos parecerem mais regulares do que os produzidos por neurônios de verdade, deve ser possível criar versões que são um pouco mais variáveis que esta. E, o mais importante, possivelmente pode-se fabricá-los em grande quantidade, provavelmente em um chip de silício.


A chave para se produzir estes dispositivos é algo chamado isolante de Mott. Estes são materiais que normalmente poderiam conduzir eletricidade, mas não conduzem por causa de interações entre os seus elétrons. No entanto, estas interações enfraquecem-se a temperaturas elevadas. Então, ao aquecer um isolante de Mott, é possível transformá-lo num condutor. No caso do material usado nesta pesquisa, NbO2, o calor é fornecido pela própria resistência. Aplicando uma voltagem ao NbO2 no dispositivo, ele torna-se um resistor, aquece-se e, quando atinge uma temperatura crítica, torna-se um condutor, permitindo passar corrente por ele. Mas, ao esfriar, o dispositivo volta ao seu estado resistivo. Formalmente, um dispositivo com este comportamento é descrito como um memristor.


Para obter o tipo de comportamento de picos vistos em um neurônio, os pesquisadores concentraram-se em um modelo de neurônios simplificado, baseado em proteínas, que permite transmitir sinais elétricos. Quando um neurônio dispara, abrem-se canais de sódio, permitindo fluírem íons para uma célula nervosa, mudando as cargas relativas dentro e fora de sua membrana. Em resposta a estas mudanças, canais de potássio então abrem-se, permitindo a saída de íons diferentes, restaurando o balanceamento das cargas. Isso desliga todo o sistema, e permite que várias bombas comecem a restauração do balanço de íons inicial.


No circuito construído pelos pesquisadores, havia duas unidades, uma representando os canais de sódio, e outra os canais de potássio. Cada unidade consistia-se de um capacitor (permitindo-a acumular carga) conectado em paralelo a um memristor (permitindo-a liberar a carga subitamente). Com a configuração correta, a combinação produz picos de atividade assim que um determinado limite de voltagem é excedido. Os pesquisadores deram a este dispositivo o nome de “neuristor”.


Na forma atual, o neuristor de NbO2 usa energia demais para ser colocado em um chip. Mas há outros tipos de resistores de Mott conhecidos, e os pesquisadores acreditam que seja possível encontrar um que consuma pouca energia e que seja compatível com as técnicas de produção de chip atuais. Eles sugerem que há várias aplicações para o comportamento de picos atualmente. Mas estou mais intrigado com a ideia de que pode ser possível obter mais comportamentos similares a neurônios diretamente num chip.


* Um memristor (memory resistor) é um resistor com memória. Nota do tradutor Ernani Cecon Jr.


**John Timmer tornou-se editor de ciência da ArsTechnica em 2007, depois de 15 anos como biólogo pesquisador em Berkeley e Cornell.


Matéria publicada na ArsTechnica, em 24 de dezembro de 2012.



André Henrique de Siqueira*** comenta


O desejo humano de compreender a natureza é antigo. A intenção de apoderar-se dela para a realização de todas as possibilidade tem início com o ideal de Francis Bacon, um filósofo inglês que pretendeu encontrar na ciência o mecanismo de poder para submeter a natureza às vontades e aos desejos humanos. Desde o surgimento da Ciência Moderna, estamos em franca evolução de modelos explicativos e instrumentos tecnológicos. Da jornada ao espaço ao desvendamento da microfísica, entramos no século XXI com o desafio de desvendar o cérebro, considerado o desafio da vez por pesquisadores notáveis.


Steve Pinker, Miguel Nicolelis, Roger Penrose, Ray Kurzweil, Daniel Dennett, Stanislas Dehaene, Antônio Damásio são alguns dos pesquisadores que têm dedicado esforço para a construção de instrumentos e modelos que nos permitam decifrar o código cerebral. E neste desafio estão em questão graves problemas da filosofia, incluindo aí o problema da natureza da Alma. Qual é a essência de nossa natureza? Pode o cérebro humano ser simulado? Como tratar o problema do livre-arbítrio ante um cérebro que se pode comandar?


Os instrumentos de investigação escolhidos pela ciência incluem os processos de simulação - a reconstiuição de modelos de funcionamento cerebral; a análise - através da qual se pretende a identificação dos processos de funcionamento e a explicação dos mecanismos existentes no cérebro; e a construção de alternativas ou complementos cerebrais - como no caso do desenvolvimento de mecanismos para expansão e reconstituição da plasticidade cerebral. O recente livro de Ray Kurzweil, How to Create a Mind, o Como a Mente Funciona, de Steven Pinker, e o Muito Além do Nosso Eu são exemplos das pesquisas que estão em andamento dentro destes cenários.


A notícia de que pesquisadores dos laboratórios da HP estão trabalhando no desenvolvimento de um novo tipo de dispositivo computacional, o neuristor, é mais um exemplo de como o tema tem recebido interesse na atualidade. O modelo implementado pelos cientístas da computação é o da criação de um dispositivo que seja capaz de reproduzir o comportamento de um neurônio para depois reuní-los em um modelo computacional de alto desempenho. Mas isto será capaz de reproduzir a mente humana? Kurzweil responde afirmativamente em seu novo livro. Mas faz a ressalva de que ainda é necessário a intervenção humana para que esta nova mente funcione...


O Espiritismo tem se posicionado como uma doutrina que pretende o alinhamento com a Ciência. Doutrina de fundamentação filosófica, assenta os seus postulados na existência de uma inteligência suprema e na existência e na imortalidade da alma. Com ele descobrimos que o Espírito não é um ente imaterial, mas incorpóreo, que existem mecanismos intricados de aprendizado e desenvolvimento da consciência a realizar-se ao longo de milênios, desde o princípio inteligente até a Alma individualizada, dotada de consciência e de livre-arbítrio. Os avanços do conhecimento e da tecnologia ainda se mostram como um desafio para o entendimento humano, que não concluiu a sua jornada de conhecimento. O Espiritismo não pode fugir ao enfrentamento dos problemas apresentados na modernidade e, embora não tenha respostas para todas as perguntas, tem igualmente perguntas importantes. Um debate sobre a natureza da mente passa pelo entendimento dos mecanismos cerebrais que o regem. Mas se a mente pode manifestar-se para além dos limites do corpo - como o demonstram diferentes fenômenos sob apreciação da ciência, não é o caso de se perguntar - no âmbito da ciência e do Espiritismo - se o cérebro é causa ou consequência da Mente? se a alma é o resultado da interferência do espírito na estrutura do corpo? se dentro do modelo computacional de hardware e software, considerando que o cérebro é o hardware, a alma é o software que o aciona ou é um epifenômeno dele? A reposta espírita aponta para a primazia do espirito, mas não para a exclusividade dele. Os problemas que suscitam o avanço do conhecimento nos colocam em contato com um interesse ainda maior em responder à questão, ainda fundamental: Afinal, quem nós somos?


Quem viver, verá...


*** André Henrique de Siqueira é bacharel em ciência da computação, professor e espírita.