Vamos simular o cérebro humano em um supercomputador

O que significa simular o cérebro humano? Os sistemas de computação mais avançados de hoje têm poder computacional suficiente para executar simulações de bilhões de neurônios, comparável à sofisticação de cérebros reais. Estamos também a compreender cada vez mais como estes neurónios estão ligados, levando a simulações cerebrais que os investigadores esperam que revelem segredos anteriormente ocultos da função cerebral.

Os pesquisadores há muito tentam isolar partes específicas do cérebro, modelando regiões menores com computadores para explicar funções cerebrais específicas. Mas “nunca poderemos reunir tudo num só lugar, num modelo maior do cérebro onde possamos verificar se estas ideias são consistentes”, disse ele. Markus Diesmann no Centro de Pesquisa Jülich, na Alemanha. “Isso agora está mudando.”

Isto deve-se em grande parte ao poder dos supercomputadores mais avançados da atualidade, que se aproximam agora da escala exa, o que significa que podem realizar mil milhões de mil milhões de operações por segundo. Existem apenas quatro dessas máquinas, de acordo com Lista dos 500 melhores. Diesmann e sua equipe estão considerando executar simulações cerebrais em grande escala em um dos sistemas chamado JUPITER, abreviação de Joint Undertaking Pioneer for Innovative and Transformative Exascale Research, com sede na Alemanha.

No mês passado, Diesmann e colegas mostrar que um modelo simples dos neurônios do cérebro e suas sinapses, chamado de rede neural de picos, poderia ser configurado e dimensionado para funcionar nas milhares de unidades de processamento gráfico (GPUs) do JUPITER, o que resultaria em um tamanho de 20 bilhões de neurônios e 100 trilhões de conexões – o equivalente ao córtex cerebral humano, onde ocorrem quase todas as funções cerebrais superiores.

A execução de tais simulações promete resultados mais valiosos do que simulações de cérebros menores, como os de moscas-das-frutas, que foram feitas antes, disse Diesmann. Grandes modelos de linguagem, como os que estão por trás do ChatGPT, mostraram nos últimos anos que sistemas maiores conterão recursos que faltam em sistemas menores. “Agora sabemos que as grandes redes podem fazer coisas qualitativamente diferentes das pequenas redes”, disse Diesmann. “Está claro que as grandes redes são diferentes.”

“Reduzir a escala não apenas simplifica um pouco ou torna-o um pouco mais grosseiro, significa eliminar completamente certas propriedades”, disse Thomas Nowotny na Universidade de Sussex, Inglaterra. “É importante que possamos eventualmente fazer (simulações) em escala real, porque caso contrário nunca obteremos resultados reais.”

Os modelos testados no JUPITER serão baseados em dados reais de experimentos menores em neurônios e sinapses do cérebro humano, como quantas sinapses um único neurônio deve ter ou seu nível de atividade, afirmou. Joana Senk na Universidade de Sussex, em colaboração com Diesmann. “Agora temos não apenas os dados anatômicos como restrição, mas também o poder dos computadores”, disse Diesmann.

Simulações cerebrais em grande escala permitem aos pesquisadores testar teorias básicas da função cerebral que não são possíveis em modelos menores ou com cérebros reais, disse Nowotny, como a forma como as memórias são formadas. Isto pode ser testado apresentando imagens ao tecido cerebral, observando como ele reage e observando como esta formação de memória muda com o tamanho do cérebro. Também poderia criar formas de testar drogas, disse Nowotny, por exemplo, observando como os modelos de epilepsia, caracterizados por convulsões e atividade cerebral anormal, são afetados por certos medicamentos.

O poder computacional adicional também significa que as simulações cerebrais podem ser executadas mais rapidamente, o que dará aos pesquisadores informações sobre processos relativamente lentos, como o aprendizado, disse Senk. Os pesquisadores também serão capazes de construir detalhes biológicos muito maiores, como modelos mais complexos de como os neurônios mudam e disparam.

Mas mesmo com a capacidade de executar simulações do tamanho do cérebro, ainda há muito que não sabemos, disse Nowotny. E mesmo simulações menores de todo o cérebro, como as das moscas-das-frutas, não conseguem reproduzir o comportamento completo de animais reais.

As simulações executadas nesses supercomputadores também ainda são muito limitadas e carecem de funções básicas que são importantes para cérebros reais, como obter informações do ambiente do mundo real. “Na verdade, não podemos construir um cérebro”, disse Nowotny. “Mesmo que pudéssemos fazer uma simulação do tamanho do cérebro, não poderíamos fazer uma simulação cerebral.”