O cérebro fala: Sinais neurais são convertidos em palavras

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/09/2010

Esta é uma foto do experimento real, mostrando dois tipos de eletrodos postos sobre o cérebro de um paciente que sofre de epilepsia grave.[Imagem: University of Utah Department of Neurosurgery]

Pesquisadores da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, conseguiram pela primeira vez traduzir sinais do cérebro em palavras.

O experimento, utilizando dois implantes neurais inseridos diretamente sobre o cérebro de um paciente, é um primeiro passo rumo à possibilidade de que pessoas paralisadas comuniquem-se usando suas próprias palavras, eventualmente sintetizadas por um computador.

Implantes cerebrais

"Conseguimos decodificar palavras usando somente sinais do cérebro, com um dispositivo que potencialmente poderá ser utilizado a longo prazo em pacientes paralíticos incapacitados de falar," diz Bradley Greger, professor de bioengenharia e membro da equipe que está fazendo os experimentos.

Apesar dos experimentos comimplantes cerebrais estarem sendo feitos há vários anos, o método invasivo ainda encontra problemas, sobretudo com rejeição, o que leva os pesquisadores a salientarem que ainda serão necessários alguns anos de pesquisas para que se possa chegar a testes clínicos em larga escala.

Os implantes cerebrais - duas grades de microeletrodos com 16 sensores cada um - foram inseridos diretamente sobre o centro cerebral da fala de um voluntário com graves crises epilépticas.

O homem no qual foram feitos os testes estava sendo submetido a uma craniotomia - a remoção parcial e temporária do crânio - para a colocação de eletrodos convencionais que pudessem detectar a fonte de suas convulsões, na tentativa de interrompê-las cirurgicamente.

Sinais do cérebro em palavras

Uma imagem por ressonância magnética (MRI) do cérebro do paciente é sobreposta com a localização dos dois tipos de eletrodos usados: os quadrados vermelhos mostram a localização dos microimplantes usados no experimento de interpretação da fala. [Imagem: Spencer Kellis, University of Utah]

Aproveitando a cirurgia, os cientistas implantaram também os microeletrodos. Com o paciente já acordado, eles registraram os sinais cerebrais quando o paciente repetia cada uma de 10 palavras consideradas úteis para uma pessoa com paralisia total: sim, não, quente, frio, fome, sede, olá, adeus, mais e menos.

Mais tarde, eles tentaram descobrir quais sinais cerebrais representavam cada uma das 10 palavras. Quando compararam quaisquer dois sinais do cérebro, os cientistas foram capazes de distinguir os sinais cerebrais correspondentes a cada palavra com grande precisão: 76% no caso da palavra "sim" e 90% no caso palavra "não", por exemplo.

Quando eles analisaram todos os 10 padrões de sinais cerebrais ao mesmo tempo, algo essencial para um sistema prático, conseguiram identificar as palavras com um índice de correção entre 28% e 48% - um pouco melhor do que o mero acaso, que seria de 10%, mas ainda insuficiente para um aparelho que pretenda traduzir pensamentos de uma pessoa paralisada em palavras faladas por um computador.

"Esta é uma prova de conceito," afirma Greger. "Nós provamos que esses sinais podem dizer o que a pessoa está expressando bem acima do mero acaso. Mas precisamos ser capazes de identificar mais palavras com mais precisão antes que se torne algo que um paciente realmente ache útil."

Com os necessários avanços, os pesquisadores vislumbram no futuro um equipamento sem fios que possa converter em palavras os pensamentos de pacientes paralisados por derrames, acidentes, esclerose lateral amiotrófica etc.

Microeletrodos cerebrais

O implante neural consiste em uma matriz de 16 microeletrodos, com um espaçamento de 1 milímetro, instalados sobre uma base de silicone. [Imagem: Spencer Kellis, University of Utah]

O experimento utilizou um novo tipo de implante neural cujos microeletrodos se apoiam sobre o cérebro sem perfurá-lo. Esses eletrodos são conhecidos como microECoGs, porque são uma versão miniaturizada dos eletrodos usados em exames de electrocorticografia, ou ECoGs, desenvolvidos há mais de 50 anos.

Para o tratamento de pacientes com crises epilépticas graves e não controladas por medicação, os cirurgiões removem parte do crânio e colocam uma base de silicone contendo eletrodos ECoG sobre o cérebro. Esses eletrodos ficam lá durante dias ou semanas, com o crânio apenas colocado no lugar, sem ser fixado.

Apesar de não penetrar no cérebro, os eletrodos ECoGs são sensíveis o suficiente para detectar atividades elétricas anormais, permitindo que os cirurgiões localizem e retirem uma pequena porção do cérebro que está causando as convulsões.

O próximo passo da pesquisa será testar implantes com um número maior de eletrodos, com um menor espaçamento entre eles, de forma a aumentar a resolução dos sinais cerebrais captados.

Em vez dos 16 eletrodos do implante atual, os pesquisadores estão construindo uma grade com 121 eletrodos, dispostos em uma matriz de 11 por 11.

Bibliografia:

Decoding spoken words using local field potentials recorded from the cortical surface
Spencer Kellis, Kai Miller, Kyle Thomson, Richard Brown, Paul House, Bradley Greger
Journal of Neural Engineering
October 2010
Vol.: 7 056007
DOI: 10.1088/1741-2560/7/5/056007

Criado primeiro curso de graduação em nanotecnologia do Brasil

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/09/2010

Curso de nanotecnologia

O Centro Técnico Científico da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) abriu inscrições para o vestibular no curso de Engenharia em Nanotecnologia.

Primeiro curso em nanotecnologia da América Latina, esta será uma das habilitações em engenharia e já está disponível no vestibular deste ano para ingresso no primeiro semestre de 2011. O prazo final para inscrição no vestibular se encerra em 10 de setembro.

Classificado como interdisciplinar, além da engenharia o curso reunirá áreas distintas como biologia, física, química, eletrônica, computação e ciência de materiais.

Formação em nanotecnologia

Devido à multidisciplinaridade da grade curricular, o engenheiro em nanotecnologia terá uma base de conhecimento mais ampla do que as engenharias tradicionais.

A Engenharia em Nanotecnologia será uma nova profissão que visa aplicar o conhecimento técnico e científico para inovar e aperfeiçoar materiais, estruturas, máquinas, instrumentos, sistemas e processos com propriedades e funcionalidades diferenciadas, normalmente não encontradas nos materiais naturais.

Por esta razão as nanotecnologias são consideradas disruptivas. Seu impacto no mercado profissional deverá impulsionar vários setores da economia: eletroeletrônica, energia, veículos e equipamentos de transportes, tecnologia da informação, construção civil, química e petroquímica, agronegócio, biomedicina e terapêutica, óptica, metrologia, metalurgia, produção mineral, proteção e remediação ambiental.

A Nanotecnologia também abre oportunidades para o empreendedorismo: mundialmente, a maioria das empresas de nanotecnologia nasce como spin-offs em universidades e laboratórios de pesquisa, a partir da patente de produtos inovadores.

Engenheiro em nanotecnologia

O curso será constituído de um ciclo básico - comum a todas as engenharias, onde o aluno receberá ampla formação científica - e um ciclo profissional - equilibrado em quatro áreas básicas: física, química, elétrica e de materiais.

Além disso, o Engenheiro em Nanotecnologia poderá ingressar em programas de pós-graduação e pesquisa na nanociência e nanotecnologia nas áreas de física, eletrônica, materiais, semicondutores e bionanotecnologia.

Mais informações sobre o curso podem ser obtidas nos endereços www.ctc.puc- rio.br e www.puc-rio.br/vestibular.

Robôs ganham capacidade de aprender com a experiência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2010

O robô Nao, controlado pelo sistema Xpero, tenta aprender pela experiência o que funciona e o que não funciona. [Imagem: Xpero]

Aprendizado de máquina

Deixe uma criança de um ano de idade brincar por algum tempo e ela facilmente descobrirá que é capaz de colocar uma bola sobre uma caixa, mas jamais conseguirá manter a caixa em cima da bola.

Proponha-se ensinar a mesma lição a um robô e prepare-se para um trabalho muito árduo.

Os cientistas sabem que, se querem fazer avançar a inteligência artificial, eles devem desenvolver uma espécie de "aprendizado artificial", ou aprendizado de máquina - como programas que permitam que um robô adquira conhecimento sobre seu ambiente simplesmente manipulando-o, como faz uma criança.

"Ensinar conceitos como mobilidade e estabilidade a um robô é um desafio descomunal," resume Björn Kahl, roboticista da Universidade Bonn-Rhein-Sieg, na Alemanha.

Mas a dificuldade não desanimou os cientistas. Por isso, Kahl e seus colegas se reuniram no projeto Xpero, que acaba de apresentar seus resultados.

Sistema cognitivo para robôs

O objetivo do projeto Xpero foi desenvolver um sistema cognitivo para um robô que lhe permita explorar o mundo à sua volta e aprender através da experimentação física, testando hipóteses logicamente.

O primeiro passo foi criar um algoritmo que permite que um robô explore e reconheça o ambiente a partir dos dados recebidos dos seus sensores.

Para que isto fosse possível, os pesquisadores tiveram que instalar um "conhecimento" predefinido no robô, na forma de noções básicas de lógica - ou seja, para ser capaz de aprender, o robô precisa "nascer" com um background que alimente seu processo cognitivo.

Mas robôs são máquinas controladas por computadores, e computadores são binários. Assim, no estágio atual, o robô apenas consegue entender as coisas como verdadeiras ou falsas - não há talvez. Mas, mesmo com essa limitação, o programa representou um avanço impressionante para os robôs.

Conforme se movimenta, o robô utiliza os dados dos seus sensores para testar seu conhecimento. Quando ele descobre como sendo falso algo que ele esperava que fosse verdadeiro, ele começa a fazer experiências para descobrir por que sua expectativa é falsa, e assim corrigir suas hipóteses.

Conceito de tempo para robôs

O maior problema que os pesquisadores enfrentaram foi selecionar os fatores importantes no fluxo maciço e contínuo de dados captados pelos sensores do robô - um problema que seria muito maior se eles tentassem escapar da "personalidade binária" do robô, inserindo noções como "talvez" ou "pode ser".

O segundo desafio foi encontrar uma forma para fazer com que um sistema baseado em lógica lidasse com o conceito de tempo - nada filosófico, apenas algo que pudesse permitir que o robô antevisse que uma caixa iria cair se ele tentasse colocá-la sobre uma bola - uma espécie de aula básica de causa e efeito para robôs.

Inicialmente o robô não tinha nenhuma visão de futuro. Mas, com cada observação, ele começou a aprender hipóteses melhores, que poderiam ser usadas para prever os efeitos de suas ações.

O problema é que, ao descobrir uma hipótese errada, o programa ficava frente a um número literalmente infinito de possibilidades do que poderia ser a solução correta.

A equipe teve que encontrar uma forma de curto-circuitar o processo, impedindo que o robô gastasse uma quantidade infinita de tempo testando cada possibilidade. A solução foi transformar o fluxo contínuo de informações que chegavam dos sensores do robô em situações estáticas definidas a cada poucos segundos - é como se os cientistas tivessem transformado um filme em fotografias.

Além disso, quando uma hipótese se mostrava falsa, os pesquisadores reduziram o número de possíveis soluções fazendo com que o robô construísse uma nova hipótese que mantivesse os conectores lógicos da sua hipótese falsa, alterando apenas as variáveis. Isso reduziu drasticamente o número de soluções possíveis.

Repositório de conhecimentos

Um desenvolvimento marcante obtido pelo projeto Xpero foi dar ao robô a capacidade para construir uma base de conhecimento. "Ele não faz distinção entre os conhecimentos prévios e os conhecimentos adquiridos," explica Kahl. "Esta possibilidade de reutilização do conhecimento é muito importante. Sem isso não haveria aprendizagem incremental."

Nas demonstrações, os robôs controlados com o sistema cognitivo Xpero moveram-se com desenvoltura pelo ambiente, mexeram e reposicionaram os objetos e acumularam um conhecimento crescente sobre ambiente.

Mostrando um desenvolvimento que entusiasmou os cientistas, um dos robôs começou a usar objetos como ferramentas, usando um objeto para mover ou manipular outro objeto que não estava ao seu alcance.

Embora esses robôs exploradores encenem um show digno de se ver, os cientistas afirmam que os desenvolvimentos mais excitantes do projeto Xpero estão no aprendizado que a equipe obteve sobre o processo de aprendizagem de máquina em si.

"Nós ganhamos um bocado de insights sobre os desafios da aprendizagem e de como a aprendizagem de máquina realmente funciona. Meramente fazer o robô perceber que algo não está certo exigiu percepções fundamentais do ponto de vista da pesquisa." disse Kahl.

Os pesquisadores agora estão planejando um novo projeto, no qual dois robôs ficarão rodando o sistema durante um tempo muito maior - talvez meses - para ver como seu conhecimento avança.

"Mas embora o Xpero represente um grande avanço na aprendizagem de máquina, ele ainda está muito aquém das capacidades de um bebê," diz Kahl. "É claro que o robô agora pode aprender o conceito de mobilidade. Mas ele não entende o que significa mobilidade no sentido que um humano entende."

Leis da Física podem variar ao longo do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2010

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar. [Imagem: Julian Berengut/UNSW]

Uma equipe de astrofísicos está propondo uma teoria que muda radicalmente a forma como entendemos o Universo.

Em um artigo ainda não aceito para publicação em revistas científicas, o grupo afirma ter encontrado indícios de que as leis da física são diferentes em diferentes partes do Universo.

Constante alfa

O artigo propõe que uma das supostas constantes fundamentais da natureza talvez não seja assim tão constante.

Em vez disso, este "número mágico", conhecido comoconstante de estrutura fina - ou constante alfa - parece variar ao longo do Universo. A constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética - em outras palavras, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Há alguns anos, físicos propuseram que alfa poderia ter variado ao longo do tempo - numa escala de 12 bilhões de anos - mas agora os físicos propõem que ela varia ao longo do espaço.

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar.

"As implicações para o nosso entendimento atual da ciência são profundas. Se as leis da física passam a ser apenas 'sub-leis locais', pode ser que, embora a nossa parte observável do Universo favorece a existência da vida e dos seres humanos, outras regiões mais distantes podem ter diferentes leis que se oponham à formação da vida, pelo menos tal como a conhecemos," especula ele.

Eixo magnético universal

As conclusões dos pesquisadores foram baseadas em medições realizadas com oVery Large Telescope (VLT), no Chile, e com os maiores telescópios ópticos do mundo, no Observatório Keck, no Havaí.

"Os telescópios Keck e VLT estão em hemisférios diferentes - eles olham para direções diferentes ao longo do Universo. Quando olhamos para o norte com o Keck, vemos em média um alfa menor nas galáxias distantes, mas quando olhamos para o sul com o VLT, vemos um alfa maior," explica o Dr. Julian King, coautor do trabalho.

A variação observada é muito pequena, não mais do que 1 parte em 100.000. "Mas é possível que variações muito maiores possam ocorrer fora do nosso horizonte observável", especula King.

"Depois de medir a constante alfa em cerca de 300 galáxias distantes, surgiu uma consistência: este número mágico, que nos dá a força do eletromagnetismo, não é o mesmo em todos os lugares, como ele é aqui na Terra, e parece variar continuamente ao longo de um eixo preferencial através do universo," explica o professor John Webb, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália.

A variação da constante alfa foi detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo - é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético de polo a polo da Terra. [Imagem: Webb et al.]

Este talvez seja o elemento mais intrigante da proposta, o fato de a variação ter sido detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo - é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético de polo a polo da Terra.

De forma bastante interessante, esse eixo magnético universal coincide com medições anteriores que deram origem à teoria do chamado Fluxo Escuro, que indica que uma parte da matéria do nosso Universo estaria vazando por uma espécie de "ralo cósmico", sugada por alguma estrutura de um outro universo.

Variação das leis da física

Se os dados se confirmarem - e não tiverem outra explicação menos revolucionária - um achado como esse poderia obrigar os cientistas a repensarem totalmente sua compreensão das leis da Natureza.

"A constante de estrutura fina, e outras constantes fundamentais, são absolutamente centrais para a nossa teoria atual da física. Se elas realmente variam vamos precisar de uma teoria melhor, mais profunda," arrisca o Dr. Michael Murphy, coautor do trabalho.

A variação das leis da física, seja no espaço ou no tempo, sempre ocupou a mente dos cientistas. Pelas teorias atuais, uma pequena variação de alfa, por exemplo, significaria que as estrelas não produziriam carbono, a base da química que forma a vida na Terra.

É por isso que os cientistas afirmam que são as características "especiais" deste nosso ponto no Universo que criam as condições para a vida como a conhecemos, características estas que poderiam não existir em outros pontos. Uma afirmação de resto circular - poderia haver outros "pontos de equilíbrio", que dariam origem a formas de vida diferentes da nossa, algo como "se a vida não fosse assim, seria diferente" - descartada, obviamente, a hipótese da "não-vida".

"Embora uma 'constante variável' possa abalar a nossa compreensão do mundo que nos rodeia, afirmações extraordinárias exigem evidências extraordinárias. O que estamos descobrindo é extraordinário, não há dúvida sobre isso," diz Murphy.

Talvez. Mas tudo recomenda que se espere até que o artigo seja revisado por outros cientistas e aceito para publicação em uma revista conceituada. Resta saber, sobretudo, se os outros cientistas acharão que uma variação de 1 em 100.000 é assim tão extraordinária.

Bibliografia:

Evidence for spatial variation of the fine structure constant
J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, R. F. Carswell, M. B. Bainbridge
Submitted to Physical Review Letters
September 2010
http://arxiv.org/abs/1008.3907

Mapas hiperbólicos mostram a internet como você nunca viu

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/09/2010

Atlas hiperbólico da internet. O mapa hiperbólico da internet é semelhante a uma rede sintética einsteiniana, vista no segundo mapa, abaixo.[Imagem: Boguna et al./Nature]

Coordenadas da internet

Um grupo internacional de cientistas criou uma nova técnica para traçar mapas que mostrem as coordenadas da internet.

Para Marián Boguñá e seus colegas da Universidade de Barcelona, os mapas refletem as diferentes conexões que formam a rede, o que permite simplificar os protocolos de transferência de informações usados hoje, sobretudo para aumentar sua eficiência.

O mapa hiperbólico é capaz de representar as redes principais que formam a arquitetura da internet, normalmente administradas pelas grandes empresas de telecomunicações ou por provedores.

Em vez de usar o espaço euclidiano tradicional, o mapa representa um hemisfério em um plano circular, onde cada elemento é desenhado com dimensões menores conforme se afasta do centro. Assim, nenhum dado ficará fora do espaço hiperbólico, por mais insignificante que seja, porque ele será sempre menor do que a distância que falta para chegar à borda do círculo.

Atualmente existem aproximadamente 24.000 sistemas dessa categoria, interligados por cerca de 60.000 conexões, em uma estrutura muito complexa, mas capaz de se auto-organizar.

Cada ponto no mapa representa um sistema autônomo. Os maiores contêm até mesmo a identificação da empresa à qual pertencem. Na parte externa está o nome dos países, com um tamanho de letra proporcional ao número de sistemas lá existentes. Cada país está localizado em uma posição média com relação ao número de sistemas autônomos que possui. Como se pode ver, os países com maior número de sistemas mais autônomos são os Estados Unidos, Reino Unido e Rússia.

Rede sintética no Modelo Einsteiniano. A rede modelada ilustra a conexão entre a geometria hiperbólica e a topologia de redes complexas sem escala. [Imagem: Boguna et al./Nature]

Espaço hiperbólico

"Estes mapas foram obtidos a partir de um modelo da rede em um espaço hiperbólico, de modo que, se dois nós estão próximos um do outro neste espaço, é muito mais provável que eles estejam interligados na rede real," explica Boguñá.

Por outro lado, "ao comparar as informações dos países onde estão localizados esses sistemas autônomos com as suas coordenadas no mapa, você pode ver que existem comunidades virtuais estreitamente relacionados, que refletem sua situação geopolítica no mundo," acrescenta o pesquisador.

Especialistas estimam que o protocolo atual de transferência de informações da Internet pode não suportar outra década na atual taxa de crescimento: 2.400 sistemas autônomos acrescidos à rede a cada ano.

Mapa hiperbólico dos sistemas-chave da internet. O crescimento exponencial do número de pessoas no piso hiperbólico ilustra a expansão exponencial do espaço hiperbólico. Todas as pessoas têm o mesmo tamanho hiperbólico. [Imagem: Boguna et al./Nature]

Rede dinâmica

Hoje, para transmitir informações entre dois computadores localizados em sistemas autônomos diferentes, todos os sistemas devem ter informações completas sobre todas as rotas entre todos os possíveis destinatários.

Como a Internet é uma rede dinâmica, sempre que ocorre uma mudança, o sistema deve recalcular todas as rotas afetadas por esta mudança, um processo de cálculo que leva cada vez mais tempo.

"Com o mapa que criamos, para determinar a melhor rota para as informações, você só tem que conhecer as coordenadas dos vizinhos mais próximos e determinar qual delas minimiza a distância até o ponto de destino," explica Boguñá, que acredita ser viável a adoção dos seus mapas hiperbólicos para a administração real da internet.

Bibliografia:

Sustaining the Internet with hyperbolic mapping
Marián Boguñá, Fragkiskos Papadopoulos, Dmitri Krioukov
Nature
07 September 2010
Vol.: Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms1063

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