IA YORU detecta o canto de corte da mosca-das-frutas e silencia neurônios em tempo real

Pesquisadores criaram um sistema de inteligência artificial capaz de reconhecer o canto de corte de uma mosca-das-frutas no exato instante em que ele começa - e, imediatamente, desligar os neurônios responsáveis por produzi-lo.

Com isso, interações animais que duram frações de segundo passam a virar testes diretos sobre quais células do cérebro, de fato, causam cada ação.

A IA interrompe o canto da mosca

Dentro de uma pequena câmara de corte, um macho de mosca-das-frutas começou a abrir a asa para cantar, e o sistema interrompeu o movimento antes que a primeira nota se formasse.

A partir dessas gravações, a professora Azusa Kamikouchi, da Universidade de Nagoya, demonstrou que o software conseguia isolar o macho em corte mesmo quando várias moscas se moviam encostadas umas nas outras.

Sempre que a asa iniciava a elevação, o programa reconhecia o comportamento de imediato e acionava um pulso de luz que silenciava os neurônios-alvo sem interferir nos animais próximos.

Essa capacidade de ligar a ação de um indivíduo a um controle neural seletivo e instantâneo abriu caminho para testar, em tempo real, como o cérebro comanda o comportamento social.

A IA detecta comportamento rapidamente

Em vez de seguir pernas ou asas ao longo do tempo, o novo sistema de IA, chamado YORU, reconhece uma postura inteira como um único comportamento em apenas um frame de vídeo.

Depois de ser treinado com exemplos rotulados, o software passou a desenhar uma caixa em torno da ação e a nomeá-la assim que ela surgia.

Em testes com moscas, formigas e peixes-zebra, o YORU alcançou de 90% a 98% de precisão para diversos comportamentos sociais difíceis de classificar.

Essa velocidade era crucial porque o sistema precisava reagir antes que um rápido golpe de asa ou uma virada de cabeça terminasse.

A detecção de postura completa funciona

Quando os animais ficam sobrepostos, o rastreamento por partes do corpo pode “perder” uma perna ou trocar identidades - e, com isso, o rótulo do comportamento deixa de fazer sentido.

Ferramentas tradicionais marcavam pontos-chave frame a frame, mas o contato social escondia esses pontos e tornava os cálculos instáveis.

Até mesmo soluções de rastreamento sem marcadores amplamente usadas tiveram dificuldade em arenas cheias, onde corpos sobrepostos ocultavam membros e confundiam qual animal era qual.

Ao usar a postura inteira como pista, o YORU continuou funcionando em grupos, embora sequências mais longas ainda tenham se mostrado desafiadoras.

Controle do cérebro em tempo real

Em um sistema de malha fechada - que reage imediatamente ao comportamento detectado - velocidade e precisão pesam na mesma medida.

Do frame capturado pela câmara até o pulso de disparo, o ciclo completo ficou em cerca de 31 milissegundos em média nos testes, rápido o bastante para muitos atos.

Comparado a um rastreador de pose popular, o mesmo arranjo operou cerca de 30% mais depressa, reduzindo o atraso médio de aproximadamente 47 milissegundos.

Com atrasos tão baixos, o YORU conseguiu acender a luz enquanto o comportamento ainda estava ocorrendo, e não apenas depois.

A luz silencia neurônios específicos

Para comandar neurônios no momento certo, os pesquisadores primeiro modificaram moscas para que células cerebrais selecionadas respondessem à luz verde.

Por meio da optogenética - o uso de luz para ligar ou desligar neurônios específicos -, uma revisão de 2015 descreveu como proteínas sensíveis à luz conseguem controlar a sinalização neural.

Assim que o YORU detectava a extensão da asa, ele enviava um sinal para uma lâmpada; a luz, então, silenciava neurônios de corte, reduzindo o sucesso de acasalamento.

“Podemos silenciar neurônios de corte das moscas no instante em que o YORU detecta a extensão da asa”, disse Kamikouchi, autora sênior do estudo.

Mirar uma mosca no meio do grupo

Sistemas anteriores de controle cerebral iluminavam a arena inteira de uma vez, o que fazia todos os animais receberem o mesmo comando simultaneamente.

Ao enviar, a cada frame, dados de localização para um projetor, o YORU direcionou a luz para uma única mosca enquanto as outras continuavam a se mover.

Em um teste com duas moscas, a luz em movimento permaneceu no alvo pretendido por 89.5% do tempo de estimulação.

Esse nível de precisão permitiu alterar a entrada neural de um indivíduo durante um momento social, sem desorganizar o restante do grupo.

Atividade cerebral e padrões de comportamento

Além de intervir no comportamento, o mesmo software ajudou a interpretar atividade cerebral ao associar o que o animal fazia ao que o seu córtex exibia.

Usando imagem de cálcio, que acompanha sinais brilhantes que seguem a atividade dos neurônios, a equipa conectou corrida e limpeza (grooming) em ratos a padrões distintos.

Depois, mapas construídos a partir dos rótulos do YORU coincidiram com mapas feitos por avaliação humana, apoiando a ferramenta como uma leitura confiável.

Essas ligações podem ajudar cientistas a decidir quais sinais neurais refletem comportamento real, em vez de atribuir significado a qualquer pequena oscilação do cérebro.

Limitações do sistema

Alguns atos sociais só ficam diferentes quando vistos ao longo de vários frames, de modo que um detector de frame único pode não capturar bem o começo ou o fim.

Sem um rastreamento de identidade integrado, o YORU pode reconhecer um comportamento, mas nem sempre confirmar qual indivíduo continuou a executá-lo mais adiante.

O próprio hardware também impôs limites, porque projetores e controladores acrescentaram atraso extra e podem permitir que um animal rápido escape da iluminação.

Melhorias em previsão e equipamentos de menor latência podem ampliar a abordagem, mas ainda assim cada laboratório terá de calibrar o sistema com cuidado.

Direções para pesquisas futuras

Tornar o sistema acessível foi importante, já que muitos laboratórios de biologia não têm pessoal para programar ou ajustar modelos.

Com uma interface gráfica, os utilizadores treinaram novos detectores de comportamento a partir de um conjunto pequeno de frames rotulados e iniciaram os testes com alguns cliques.

Como o YORU trata comportamentos como objetos, ele pode ser ligado a luzes, câmaras e outros equipamentos que já ficam nas bancadas.

Um acesso mais amplo pode acelerar estudos que conectam circuitos neurais a escolhas sociais, embora regras éticas precisem acompanhar esse avanço.

Ao combinar a deteção instantânea de comportamento com um controle neural igualmente rápido, o sistema permite testar causa e efeito no mesmo instante em que uma ação se desenrola.

Os próximos trabalhos vão priorizar a captura de comportamentos mais longos e complexos, além de reduzir atrasos do hardware. Isso ajudará a garantir que animais individuais sejam alvejados com precisão mesmo dentro de grupos maiores e mais dinâmicos.