Sistema Cerebral e Computacional: conexões possíveis

1. RESUMO

O presente artigo descreve as principais conexões entre da estrutura cerebral e computacional e as possibilidades de interação entre elas. Detalha a arquitetura e funcionamento desses sistemas e apresenta a plataforma de programação e prototipação arduino, que com um código aberto, permite realizar diversos experimentos entre hardware e software. Um projeto básico é sistematizado para encetar o funcionamento da placa. São exemplificados alguns projetos elaborados para realizar a interação ela e o sistema computacional e o neuronal. Por fim, na conclusão é feita um elo entre os conceitos e as principais contribuições que podem surgir dessa interação e compartilhamento.

PALAVRAS-CHAVE: neurociência, cérebro, arduino, biologia computacional e educação.

Abstract
This paper describes the main connections between brain and computational structure and the possibilities of interaction between them. It details the architecture and operation of these systems and presents the Arduino programming and prototyping platform, which with an open source, allows to perform various experiments between hardware and software. A basic design is systematized to begin the operation of the board. Some projects elaborated to realize the interaction between her and the computational system and the neuronal are exemplified. Finally, in the conclusion a link is made between the concepts and the main contributions that may arise from this interaction and sharing.

Key Words: neuroscience, brain, arduino, computational biology and education.

2. INTRODUÇÃO

O intuito do presente trabalho é destacar as conexões possíveis nas atividades do sistema cerebral humano e o processamento computacional e desmistificar o senso comum que a máquina supera o cérebro humano. Muitos trabalhos do cinema apresenta o sistema computacional como uma máquina capaz de evoluir e dizimar a raça humana (2001 Uma Odisséia no espaço. MGM. Direção: Stanley Kubrick, Produção: Stanley Kubrick, 1968) ou até mesmo subestimar o poder de julgamento humano (Stealth: ameaça invisível. Columbia Pictures. Direção: Rob Cohen, Produção: Mike Medavoy, 2005). De outro lado, existem produções que cogitam a interação entre o homem e a máquina (Robocop, Orion Pictures. Produção: Paul Verhoeven, Direção: Paul Verhoeven 1990).

As estruturas cerebrais e computacionais, por mais que coadunem alguns aspectos, não podem ser comparadas em todos os âmbitos ou níveis, por isso, destacaremos os âmbitos que possibilitem conexões entre esses dois universos.

Revisitando a evolução da nossa sociedade, vimos que durante o advento da terceira revolução industrial, muito se especulou e projetou sobre o poder do processamento das máquinas que passaram a substituir o homem em muitas tarefas, atraindo assim, o fascínio da sua capacidade e tornando férteis os enredos cinematográficos. O conceito da terceira onda foi um dos mais difundidos para explicar o fenômeno desta nova sociedade:

Hoje eu creio que nós temos à beira de  uma nova idade de síente[...]Por conseguinte, nossa abordagem no que se segue será olhar para aquelas correntes de mudança que estão abalando nossas vidas, revelar as conexões subterrâneas entre elas, não simplesmente porque cada uma destas é importante em si, mas por causa da maneira como estas correntes de mudança correm juntas para formar rios de  mudança ainda maiores, mais fundos, mais rápidos, que, por sua vez, correm para algo ainda maior: a Terceira onda (TOFFLER, 1980, p. 138)

Outra criação produzida para uso militar, após ser compartilhada para uso popular ganhou usuários de forma acelerada no mundo: a internet. Com ela, o conceito do hipertexto e das redes sociais evoluiram da cabana eletrônica (TOFFLER, 1980, p.200) à fusão do mundo numa Aldeia Global em inédita maneira de se comunicar:

Pierre Lévy defende a ideia de que o espaço virtual – o ciberespaço – cria uma forma de comunicação não intermediada em grande escala, isto é, um fluxo de comunicação coletivo que não é intermediado por nenhum interlocutor e flui livremente (TEIXEIRA FILHO, 2002,p. 45)

Hoje a automação caminha numa trajetória sem fim, com máquinas que pretendem realizar as mais variadas tarefas no lugar do homem, sobrando para este, a necessidade de uma nova postura e comportamento frente a estas inovações tecnológicas, tendo que aprender a aprender e reinventar-se para continuar produtivo numa cultura tecnológica. Num recente trabalho do qual participamos, vemos o surgimento de uma nova era, caracterizada por novos tipos de conexões que desembocam numa nova revolução: a do saber. Segundo Toledo em seu booktease (2019), estamos atravessando um grande transição:

Estamos diante da transição da Era Digital para a Era das Conexões, Era do Mundo Conectado[...] As mudanças são justificadas no contexto da chamada Quarta Revolução Industrial: era da robótica avançada, automação no transporte, inteligência artificial e aprendizagem automática. Sim, nos próximos quatro anos estes e fatores sócio econômicos, geopolíticos e demográficos terão impacto direto no mundo do trabalho: seja no surgimento ou desaparecimento de profissões, seja no haal de habilidades demandadas pelo mercado (TOLEDO, 2019, p.8)

O uso diário de muitas das tecnologias tendem a nos convencer que elas têm vida própria e que estão no controle. Se pegarmos, por exemplo, os GPS, a comunicação entre aparelhos inteligentes que se comunicam através da internet (ou internet das coisas), a inteligência artificial usada até para encontrar a melhor foto, somos tentados a resvalar para um simulacro de que existe outro ser conosco:

Quando obturador é pressionado é feita uma exposição longa e, em um segundo, uma rede neural analisa uma combinação de exposições longas e curtas, selecionando pixel por pixel para conseguir o melhor resultado, explica Schiller sobre a tecnologia "Deep Fusion" (NAKAGUWA, Eliane. Olhar digital. Apple aposta em inteligência artificial para ter a melhor câmera em iPhones, 2019?).

A empresa já tinha grande reconhecimento por criar a Siri, uma personagem dotada de inteligência artificial para “dialogar” com o usuário e fazer, inclusive, tomadas de decisões com base nos perfis e comportamento do usuário. O uso dessas máquinas em nossas vidas é tão grande que passam, por vezes, a uma extensão do nosso corpo, onde se tornam objeto de um novo modelo de aprendizagem:

Nas últimas décadas, acompanhamos o surgimento e a adoção massiva de plataformas colaborativas como prática de convívio e comunicação. Em particular, as redes sociais, objetos e seus vínculos mútuos, e têm se desenvolvidas para diferentes propósitos como o compartilhamento de vídeos, referências bibliográficas, código, dica de filme. (XAVIER, 2011, p.239)

Embora a operação de muitas máquinas nos deixem impressionados, e sem conhecer o princípio do seu funcionamento, veremos que nosso cérebro possui uma composição tão complexa quanto essas máquinas, onde nem todo seu potencial foi explorado:

Os neurônios é a célula mais importante do cérebro, mas é 10 a 100 vezes mais pequeno do que um ponto final. O teu cérebro é feito de mais neurônios do que as estrelas do céu![...] comunicam a uma velocidade louca, mais rápido que que  um avião a jato. O cérebro está dentro dos ossos do crânio mas sabe o que se passa e manda até nos pés, em menos de sum segundo (ALBUQUERQUE, Luísa et al, 2011, p. 4)

Para facilitar a compreensão, trataremos separado cada sistema: computacional e cerebral, desta forma, explorando as conexões em ambos sistemas.

3. Hardware o conceito físico e suas interfaces lógicas

O hardware, que é a parte física tangível do computador. Sozinho não tem funcionalidade, assim como um cérebro sem vida. Sobre a maestria dos programas, o computador executa uma série de comandos para um fim específico, segue as ordens desde um programa, aplicativo, ou módulo interligado a nossas ondas elétricas neurais.

Após receber os dados de entrada, via teclado, mouse ou outra forma de envio de dados, são executadas os comandos trilhando uma rede de circuitos elétricos. As fases de processamento envolvem vários componentes: CPU (unidade lógica de controle), ULA(unidade lógica aritmética), UC (Unidade de controle), IR (registradores de instruções) e memórias. As informações chegam por meio de sinais elétricos percorrendo em nanossegundos os circuitos das placas. Durante o ciclo, a UCP (unidade central de processamento) executa uma rotina de busca e execução de forma cíclica:

Assim que o computador é iniciado, a CPU entra no Ciclo de Busca, em seguida passa para o Ciclo de Execução e depois volta para o Ciclo de Busca. Ela continua nesse processo até que precise ser desligada, saindo do Ciclo de Execução para o estado final. (BRITO, 2018?)

Os comandos obedecem a uma sintaxe específica, com linguagem de programação que seja interpretada pelos componentes físicos.

3.1. Apresentação do Arduino e o primeiro projeto

Utilizaremos para efeitos didáticos a placa arduíno, que é uma plataforma de desenvolvimento e prototipagem eletrônica de hardware livre, com um microcontrolador de código aberto de fácil programação, um pequeno computador que nos permite programamos para interagir com o ambiente.         

         Fig1e2, Fonte: freepik.                                                                                                Estas são as divisões das conexões

No site do fabricante “https://www.arduino.cc/”, é possível baixar a IDE, que é um programa elaborado na linguagem de programação chamada Java, que permite a digitação dos comandos em outra linguagem denominada C++, dando ordens para controlar a placa e os sinais de entrada e saída, através das portas disponíveis. Ela funciona como nossa o cérebro ligado a espinha dorsal enviando impulsos para os membros (dispositivos) ligados a ela.

O aprendizado de uma linguagem de programação pode ser facilitado por meio de ambientes que facilitam a compreensão da lógica computacional. Como por exemplo o Scratch, um programa desenvolvido pela universidade MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts), voltado principalmente para o público infantil com uma versão que interagem também como hardware, como é o caso o Scratch for Arduino, disponível no site “https://scratch.mit.edu/”, com uma comunidade ativa e muito grande.

Mesmo que não possui a placa, através de um site de modelagem e criação de circuitos virtuais, pode elaborar e criar seus protótipos programados. O site  utilizado neste, foi o thinkercad, disponível em  “https://www.tinkercad.com/”. Após criar uma conta é possível utilizar a placa e seus dispositivos acessórios.

Com os componentes abaixo, criamos um exemplo que pode ser reproduzido a partir de qualquer lugar com acesso a internet e sem perigo de queimar o equipamento, pois após as ligações, o protótipo é simulado virtualmente, sem oferecer qualquer tipo de risco para o usuário.

Primeiro arrasta-se do lado direito para o esquerdo os componentes virtuais necessários ao projeto:

a).  (1 placa arduino UNO, uma protoboardo(onde é feitas as ligação com os dispositivos), 1 led, 1 resistor (220ohm) e 2 jumpers (fios).

Fig3 – Fonte: Tinkercad

Uma led possui uma perna maior (Anodo ou positiva), que será ligada a porta 11 intermediada por   um resistor e outra menor (Catodo ou negativa) que será ligada ao aterramento da placa (porta GND).

b). Feito isso, clica-se na aba código, que possuem duas sessões: void setup() e void loop(),  digitando o código abaixo:

Fig4 – Fonte: Tinkercad

c). Explicação do código:

void setup() { --------------------(Início da sessão 1)

pinMode(11,OUTUP); --------(Define o pino 11 da placa como saída de pulsos elétricos/comando binários)

Serial.begin(9600); ------------(Define a ativação da porta serial que receberá textos)

} ----- (fim da primeira sessão1)

Obs linhas com os caracteres “//” não tem efeito no processamento, são apenas comentários do código que podem ser suprimidos

digitalWrite(11, HIGH); ------------------ (envia um pulso pela porta 11 para o dispositivo conectado (em nosso caso a lâmpada LED)

delay(500); -------------( executa uma pausa de 500 milissegundos)

digitalWrite(11, LOW);---------- (desliga o sinal da porta 11)

delay(500); -------------( executa uma pausa de 500 milissegundos)

Serial.println(“tempo de 500 milissegundos”);-----(Escreve a mensagem entre aspas  para numa tela (porta serial) sobre detalhes que o programador quiser colocar);

O resultado do programa será fazer uma led piscar com intervalo de 500 milessegundos e a cada ciclo escrever um texto: “tempo de 500 milessegundos”. Se tudo funcionar o indivíduo poderá transportar toda as conexões para a placa e os componentes reais e digitar o código no programa (IDE), baixado no site do arduino, descrito acima e ver seu código funcionando numa placa de verdade. 

3.2. Exemplos de Projetos com Arduino

Com a nova área do saber da Biologia Computacional, o cérebro pode controlar vários equipamentos intermediados por placas computacionais. De fácil modelagem e aquisição para realização dos experimentos, a placa Arduino permite uma interface largamente usada em muitos projetos de grande reconhecimento:

a). Nesse projeto os desenvolvedores fizeram um sistema que interliga o cérebro ao arduino para que o mesmo seja capaz de comandar pelos impulsos elétricos, transmitidos a placa por eletrodos e sensores, um drone ou até mesmo uma cama de hospital:

Fig5 – Fonte: (COSME,2015,p.25)                                            Fig5 – Fonte: (COSME,2015,p.25)

Posição dos Eletrodos                                                            Ordem do componentes

“De acordo com a concentração, as ondas Beta são geradas e o drone é acionado para estabelecer voo” (COSME, 2015.24).

b). Nesse outro  projeto, utiliza-se de um solução pronta, uma programa para a interface entre o cérebro e o arduino (cérebro-computador Emotiv® Epoc).

A aplicação desenvolvida identifica as ações do usuário através das suas ondas cerebrais; por exemplo, é possível identificar as expressões faciais como piscar os olhos, sorrir e outras, assim como ações cognitivas, como imaginar o motor virando para esquerda e em seguida fazendo com que o motor rotacione para a esquerda, dessa forma utilizando o pensamento propriamente dito”, emenda. (PETERMAN, 2015?)

4. O processamento cerebral

Visualizar o funcionamento do cérebro não é tão simples, são necessários equipamentos e pessoas especializadas. Através de um exame de eletroencefalograma ou mapeamento cerebral, conseguimos por meio de imagem e traçado, visualizar as ondas elétricas do nosso cérebro em diferente regiões e amplitudes:

O EEG é realizado através da colocação de eletrodos no couro cabeludo, com auxílio de uma pasta condutora que, além de fixá-los, permite a aquisição adequada dos sinais elétricos que constituem a atividade elétrica cerebral. Inicialmente é feito um registro espontâneo da atividade elétrica cerebral durante a vigília (paciente acordado). Se possível, essa atividade é registrada também durante a sonolência e o sono.[...]. Após o registro espontâneo, são realizadas as provas de ativação: hiperpnéia (o paciente realiza incursões respiratórias forçadas e rápidas, por 3 a 4 minutos) e fotoestimulação intermitente (coloca-se, frente ao paciente, uma lâmpada que produz flashes com freqüências que variam de 0,5 a 30 Hz. (ALBERTEINSTEIN, 2019?)

Verifica-se que por meio da ondas elétricas do cérebro, pode-se tanto monitorá-lo ou usar a emissão ondas elétricas para outros fins. Segundo Cosme(2015), elas se classificam em vários tipos: Beta (com o traçado característico de estado de consciência norma e atenção), Alpha (estado de relaxamento), Theta (meditação profunda) e Delta (ondas com traçados característicos de sono e sonhos), com frequências de 1 a 40Hz e impulsos elétricos que de acordo com os estímulos, variam de -75mV a +35mV (COSME, 2015, p.13).

No Brasil temos muitas empresas que oferecem os equipamentos para esta leitura, como a empresa Emsa e a Neurovirtual. Outros exames como a RM (ressonância magnética) e a TC (tomografia computadorizada), são utilizados para vasculhar possíveis danos de lesões, fraturas e tumores.

Ao assimilar uma informação, seguimos uma trajetória para consolidar a informação:

O encéfalo é o órgão da aprendizagem. O encéfalo humano é composto por aproximadamente 86 bilhões de neurônios, as células nervosas, que interagem entre si e com outras células formando redes neurais para que possamos aprender o que é significativo e relevante para a vida. Os neurônios são células altamente excitáveis que se comunicam entre si ou com outras células por meio de uma linguagem eletroquímica. O nosso comportamento depende do número de neurônios envolvidos nesta rede de comunicação neural e dos seus neurotransmissores, que são substâncias químicas que modulam a atividade celular, acentuando ou inibindo a comunicação entre os neurônios [...] as conexões entre as células nervosas que compõe as diversas redes neurais vão se tornando mais bem estabelecidas e mais complexas, à medida que o aprendiz interage com o meio ambiente interno e externo (REIS, 2016, p.5).

Dessa forma, constatamos que quanto maior forem os estímulos e maior a rede de informações, melhor será a qualidade do aprendizado e maior número de conexões. A Inteligência artificial funciona do mesmo modo, quanto maior o número de interações com o usuário, mais sólida e assertiva ficará a tomada de decisão. As ligações da linguagem eletroquímica do cérebro, percorre um circuito amplo com uma malha bem densa, assim como no sistema computacional:

As vias de comunicação do cérebro com o corpo são como auto-estradas com várias faixas, umas partem das diferentes partes do corpo (coração, ponta dos dedos, língua, nariz, etc.) para o cérebro e outras em sentido contrário, do cérebro até ao coração, ponta dos dedos, língua, nariz, etc (ALBUQUERQUE, 2011, p.5)

A divisão cerebral subdivide-se em cinco regiões anatômicas (frontal, parietal, occipital, temporal e insular), com funções específicas desde a linguagem, visão, audição, tomada de decisão entre outras. De modo geral o lado esquerdo do cérebro ocupa-se da linguagem e dos números enquanto a direita, nos permite desenhar, construir coisas e orientar caminhos. Segundo Reis(2016), uma importante característica cerebral é a neuroplasticidade, onde o cérebro é capaz de dimensionar suas sinapses, reorganizando sua estrutura para a geração de novas aprendizagens, que será mais rica a medida que houver um campo de multissensorial de estímulos.

Do mesmo modo, o resgate de uma informação também segue uma lógica. O cérebro ao acessar uma informação. Segundo Kunfor(2015), estudos mostram que na prateleira de lembranças do cérebro, para otimizar o acesso as informações, o cérebro ‘apagar’ determinados dados, expulsando as informações antigas para dar lugar a novas memórias. A parte responsável é o córtex pré-frontal em conjunto com hipocampo, onde realizam a indexação das informações relevantes, ou alvo, e as competidoras que são as desatualizadas e semelhantes (ou competidoras):  “Se o hipocampo é o mecanismo de busca, o córtex pré-frontal é o filtro que determina que memória é mais relevante”( KUNFOR, 2015?).

Esse mecanismo de eliminar informações pode ocorrer de forma saudável ou devido a uma patologia, levando o cérebro a apagar mais do que o necessário.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A investigação do sistema cerebral e computacional convergem para um dado  comum: ambos emitem impulsos elétricos em uma malha densa por vias duplas. Identificar e captar cada grandeza de impulso elétrico é o primeiro passo para transferir isso para um código que associe cada padrão de onda a uma função, por sua vez, repassada e intermediada à plataforma arduino em conexão com os mais variados dispositivos. Durante a  apresentação desta plataforma, além de um pequeno experimento para ambientação do usuário com os códigos,  apresentou-se as possibilidades desta plataforma para interações significativas entre o cérebro humano e acionamento de dispositivos via comando direto ou por meio de sinas sem fio.

Durante a atividade cerebral as correntes elétricas correm de um lado para o outro, canalizar as ondas cerebrais e direcioná-las, amplia a funcionalidade dessa característica para outros fins: inclusão, games, realidade aumentada, entre outros. Conforme na experiência do limão que acende uma lâmpada, nele encontra-se uma carga positiva e negativa (ânodo e catodo), que transferida em uma corrente de elétrons de um polo para outro durante as trocas eletrolíticas de oxidorredução (com ganho e perda de elétrons) pode conduzir sua corrente elétrica para alimentar um determinado componente (lâmpada, calculadora, etc). No caso do limão, chega uma hora que sua carga acaba, sendo que no cérebro ela continua enquanto houver vida.

A psicopedagogia, enquanto investigadora das relações e reações do sujeito com o meio, pode encontrar nesta ferramenta formas de maximizar as funções neurais com a eletrônica, informática e áreas correlatas.

6. REFERÊNCIAS

ALBUQUERQUE, Luisa; ABREU, Isabel. Viagem pelo Cérebro. Lisboa: SPN e a Ciência Viva para a Semana do Cérebro,2011

ANDRÉ, M. E. D. A.; LÜDKE, M. Pesquisa em educação: abordagem qualitativa. São Paulo: E. P. U, 1986.

ALBERTEEINTEIN. Eletroencefalograma (EEG). [S.I] [2019?]. Disponível em: Acesso em: 02 nov. 2019.

BRITES, Clay P.Como o nosso cérebro aprende. Neurosaber. [S.I.] 2019. Disponível em: < https://neurosaber.com.br/como-o-nosso-cerebro-aprende/ >. Acesso em: 02 nov. 2019.

Brito. Alisson Vasconcelos de. Introdução a arquitetura dos computadores. UFPB. [2018?]. Disponível em . Acesso em 03 de nov. de 2019.

COSME, Edmar Alves. Controle de dispositivos por ondas cerebrais. 2015, 50f. Dissertação (Mestrado apresentado ao Curso de Pós-Graduação em Tecnologia da Informação Aplicada à Biologia Computacional.) – Faculdade Inforium de Tecnologia, Belo Horizonte, Minas Gerais, 2015.

KUNFOR, Fiona. Cérebro ‘apaga’ informações para dar espaço as novas memórias. O GLOBO.[2015?]. Disponível em . Acesso em: 03 de nov. de 2019.

NAKAGUWA, Eliane. Olhar digital. Apple aposta em inteligência artificial para ter a melhor câmera em iPhones, 2019, p.1. São Paulo, 13 de novembro de 2019.  Disponível em Acesso em 01 de nov. de 2019.

PETRMAN, Renato. Um estudo sobre interface cérebro-computador e suas aplicações na computação. [2010?]. Disponível em  Acessado em : 29 de out. de 2019.

REIS, Alexandro Luis dos et al. A neurociência e a educação: Como nosso cérebro aprende? 2016, 38 f. Tese (Mestrado Profissional em Ciências) – Universidade Federal de Outro Preto, Minas Gerais, 2016.

TEIXEIRA FILHO, Jayme. Comunidades Virtuais: como as comunidades de práticas na Internet estão mundando negócios / Jayme Teixeira Filho. Rio de Janeiro: Senac, Senac.

TOFFLER, Alvin. A Terceira Onda: A morte de industrialismo e o nascimento de uma  nova civilização. Rio de Janeiro: Record, 1980.

TOLEDO, Fábio. Educação Neural: A revolução do saber na Era das Conexões. Rio de Janeiro: Clube dos autores, 2019