The Cerebellum detém muitas pistas para a criação de robôs humanoides

Quando você visualiza alguém se movendo como um robô, quais imagens vêm à mente? A falta de fluidez e coordenação marcada por movimentos estranhos e espasmos são características cliché dos movimentos robóticos. Curiosamente, todas essas características estão ligadas a doenças ou déficits no cerebelo humano, que é responsável pela coordenação de movimentos musculares, equilíbrio, postura e muito mais, muito mais.

Estereotípicamente, um robô se move e fala como se sofra de ataxia , que é a falta de controle muscular durante movimentos voluntários – como caminhar, agarrar e pegar objetos. O cerebelo está diretamente ligado à ataxia, que também pode afetar a fluidez da fala, movimentos oculares e deglutição.

O cérebro, que é a casa do córtex pré-frontal e o assento da função executiva, mantém o conhecimento explícito lindamente. O cerebelo – que é a casa dos neurônios de Purkinje e o assento da memória muscular – possui conhecimentos implícitos e coisas que aprendemos a fazer através de tentativa e erro, repetição e prática, prática e prática.

Estive investigando o cerebelo há mais de uma década. Do meu ponto de vista, parece óbvio que o segredo para a criação de robôs "livres de ataxia" reside na aplicação das funções do cerebelo à robótica de inteligência artificial avançada (AI).

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Um robô com um cerebelo que funciona completamente pode se mover com fluidez, permanecer equilibrado e ser proprioceptivo. Também pode pensar, se comunicar socialmente, aprender de forma implícita e ter independência sensório-motora. Eu acredito que um robô humanóide com um "cérebro" que representava tanto o cérebro como o cerebelo poderia se tornar um andróide sensitivo.

Uma Breve História do Cerebelo

Aristóteles (384-322 aC) é o primeiro escritor conhecido a descrever o cerebelo como "parencefalo" e o cérebro como encéfalo. Em 1504, Leonardo da Vinci fabricou peças de cera do cérebro humano e cunhou o termo "cerebelo", que é latino para "pequeno cérebro". O "cérebro" ou o "grande cérebro" senta-se no topo do cerebelo, que está cuidadosamente arrumado sob o cérebro.

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O cerebelo é apenas 10% do volume cerebral, mas detém mais de 50% dos neurônios totais do seu cérebro. Com base nessa distribuição desproporcional de neurônios, meu pai, Richard Bergland – que era neurocientista, neurocirurgião e autor de The Fabric of Mind – sempre disse: "Nós não sabemos exatamente o que o cerebelo está fazendo, mas seja lá o que for, é fazendo muito disso ".

Ao longo da história, o cerebelo permaneceu misterioso e sob o radar para a maioria dos neurocientistas. No final da década de 1960 e início dos anos 70, houve um aumento do interesse no cerebelo liderado por pessoas como David Marr, John Eccles e James Albus (que eram colegas de meu pai) … mas o interesse no cerebelo diminuiu durante a parte posterior do 20 século.

Felizmente, o interesse neurocientífico no cerebelo está atualmente tendo um renascimento e ganhando impulso. Nos últimos meses, houve uma divisão de descobertas revolucionárias sobre o cerebelo. Este é um momento muito emocionante para pesquisar o cerebelo.

O Cerebelo poderia tomar um palco central no futuro próximo

Embora eu tenha tido minhas antenas para estudos sobre o cerebelo há décadas, a velocidade vertiginosa dos achados recentes deixou minha cabeça girando. Na conferência da Sociedade de Neurociências de 2014, em novembro passado, o cerebelo pareceu estar tendendo muito. Somente no ano passado, quatro estudos diferentes foram lançados ligando o cerebelo com distúrbios do espectro do autismo (TEA).

Com base no recente vínculo entre o cerebelo eo autismo, parece que os mesmos sintomas de ASD, como a dificuldade em habilidades de comunicação não-verbal, fazer contato visual, interpretar expressões faciais e déficits de habilidades motoras, podem ser o resultado de problemas no cerebelo.

As pessoas com autismo também costumam ter dificuldade em interpretar os sentimentos de outra pessoa, ou ser compassivas com a dor e o sofrimento de outros. Ironicamente, os robôs rudimentares têm sido utilizados para ajudar as crianças com autismo a se tornarem mais envolvidas socialmente, de acordo com pesquisas do Yale Child Study Centre .

Outro estudo no início deste ano ligou o cerebelo com transtornos bipolares. E agora o cerebelo está sendo ligado à robótica com otimização do cérebro. A chave para criar um robô sensível com sentimentos pode ser associada à criação de uma estrutura de cerebelo da AI? Eu suspeito que a resposta é sim.

Até algumas semanas atrás, eu não tinha pensado muito sobre como uma melhor compreensão do cerebelo poderia ser aplicada à robótica ou às interfaces do cérebro que coordenavam o movimento das próteses biónicas. Tudo isso mudou recentemente quando eu li um comunicado de imprensa de fevereiro de 2015 por Scott Frey na Universidade do Missouri sobre seu estudo que foi publicado no Journal of Cognitive Neuroscience .

Scott Frey e eu passamos algumas horas falando ao telefone sobre sua pesquisa. Acontece que nós dois somos ex-triatletas que compartilham uma paixão pelo poder transformador da atividade física, neurociência e cerebelo.

No comunicado de imprensa sobre sua descoberta de que o cerebelo desempenha um papel crítico em ajudar sujeitos a entender um objeto usando uma interface controlada pelo cérebro, Scott Frey disse:

"Vivemos em um mundo de tecnologia avançada em que um botão pode mover um guindaste ou abrir uma porta. Para pessoas com deficiência, tecnologias assistivas, como armas robotizadas ou sensores inseridos no cérebro, permitem realizar ações como agarrando pressionando um botão ou diretamente através da atividade cerebral; no entanto, pouco se sabe sobre como o cérebro humano se adapta a essas tecnologias. Descobrimos que o cérebro não evoluiu necessariamente para controlar os braços robotizados modernos, mas sim o cerebelo, uma parcela antiga do nosso cérebro, que permaneceu relativamente inalterada, desempenha um papel vital ao nos ajudar a alcançar e entender com essas ferramentas – muitas vezes com apenas treinamento mínimo ".

Nos últimos dias, desenterrei vários outros estudos que suportam o papel potencial que os dispositivos cerebelares poderiam desempenhar na criação de robôs e andróides humanoides.

Tradicionalmente, os computadores e a robótica de AI se concentram principalmente nos aspectos "cerebrais" da inteligência realizada no cérebro. ("Cerebelar" é a palavra da irmã para cerebral e define qualquer coisa "relacionada ou associada ao cerebelo").

O que torna um robô humanóide muito mais complexo do que um computador como o "Watson" da IBM – que é chamado de "computador cognitivo" com inteligência cerebral e pode ganhar uma série de jogos como Jeopardy – é que um robô sensível precisa ter a capacidade de se mover através do espaço e têm a capacidade do sensorimotor para se adaptar a um ambiente sempre em mudança. Esta habilidade parece exigir as capacidades especiais de um cerebelo.

Durante a década de 1970, quando Jamie Somers e Steve Austin lutaram contra os "fembots" na Bionic Woman e no Six Million Dollar Man , o maior problema que enfrentavam era que os fembots – que eram andróides de tipo humano – eram mais fortes do que qualquer um dos seus bionicos parciais próteses. A única desvantagem real que os fembots tinham era que eles não podiam pensar por si mesmos.

A incorporação de modelos cerebelares no projeto de robôs humanóides pode ser fundamental para criar um robô sensível capaz de sentir emoções e pensar por si mesmo.

Por que eu sou tão invocado pessoalmente em defender os poderes do cerebelo?

Em seu trabalho, meu pai estava obcecado com o cerebelo e o potencial de "gênio cerebelar" que ele considerava ser um tipo de inteligência aprendida através da prática e da experiência. Meu pai era um jogador de tênis ávido. Para ilustrar a ligação entre o cérebro e o cerebelo, ele diria: "Desta, eu sou absolutamente positivo; tornar-se um neurocirurgião foi a consequência direta do meu olho para a bola ".

O cerebelo é responsável por seu Reflexo Vestibulo-Ocular (VOR) que permite que seus olhos rastreiem um alvo enquanto a cabeça se move em várias direções. Como neurocirurgião, meu pai teve que aplicar habilidades cerebrais e cerebrais, como deve ser o cirurgião, o atleta e o artista.

Enquanto eu estava crescendo, a única vez que meu pai e eu sempre tivemos tempo de qualidade juntos estava na quadra de tênis ou jogando xadrez. Desde o início, meu pai plantou as sementes de um modelo de cérebro dividido que implicava a importância de inteligências "cerebrais" que você poderia aprender com os livros e o tipo de função executiva que se usa enquanto está sentado e jogando um jogo estratégico de xadrez ou tomando um teste. Mas ele notou a importância de "inteligentes cerebelares" também.

Os "inteligentes cerebelosos" são obtidos através de tentativa e erro, experiência de vida e prática regular no tribunal ou no campo. O cerebelo é fundamental para dominar todos os tipos de atletismo. Acabei de acreditar que a inteligência cerebral e cerebelar é igualmente importante e sempre deve ser acompanhada tanto na vida como no esporte.

Por causa da influência do meu pai, tornei-me um campeão para o cerebelo e acredito que tradicionalmente tem sido subvalorizado. Eu acredito firmemente que o cerebelo desempenha um papel muito maior na função cognitiva e na "inteligência" do que – até recentemente – a maioria da academia ou neurociência parece estar pronta para admitir.

Non Satis Scire: "Saber não é suficiente"

Eu fui a uma pequena faculdade de artes liberais em Amherst, Massachusetts, chamado Hampshire College, que não tem testes ou notas e não olha as pontuações do SAT durante o processo de admissão. Eu sou terrível em fazer testes e teve pontuações SAT horríveis, que é a principal razão pela qual fui a Hampshire. Era literalmente a única faculdade que me aceitaria.

O lema de Hampshire é Non Satis Scire, que é o latim para "Saber não é suficiente". Creio que, quando se trata de educação e construção de robôs de AI, é importante lembrar que – com base na razão de neurônios entre os cerebrum e cerebelo, e inteligentes do senso comum são menos de metade da nossa inteligência humana trabalhadora.

Como pai de uma criança de 7 anos, estou perturbado ao ver as escolas de ênfase e pressão colocadas em crianças através dos Padrões Núcleos Comuns e Sem Infância Atrás para fazer bem em testes padronizados, privando-os da atividade física e das lojas criativas. o cerebelo precisa estar conectado ao cérebro e prosperar.

Quando escrevi The Athlete's Way ( imprensa de St. Martin ) há uma década, criei um modelo de cérebro dividido chamado "brain brain", que desafiou as ideias convencionais de "brain brain right right". Na minha humilde opinião , a divisão saliente no globo craniano é norte-sul, entre o cérebro e o cerebelo. Se você quiser ler mais sobre este modelo de cérebro dividido, clique aqui para obter uma amostra gratuita do meu livro.

Do atletismo, ao desenvolvimento da criança, ou reabilitação de um acidente vascular cerebral, colocando a ênfase na harmonia esquerda-direita e ascendente e interconexão de ambos os hemisférios do cérebro do cérebro e ambos os hemisférios do cerebelo é a chave para o sucesso e é a base das teorias apresentadas em The Athlete's Way.

Logicamente, se as pessoas de todas as idades criam hábitos diários que otimizem a conectividade da matéria branca e o volume de matéria cinzenta, tanto dos hemisférios do cérebro (cérebro) quanto do cerebelo (cérebro descendente), eles podem melhorar suas chances de alcançar uma vida útil de bestas pessoais . Este é um prescritivo simples e testado na estrada, que é o fundamento do meu atual livro em andamento intitulado Superfluidez .

O cerebelo é um underdog, e um poderoso mouse, que a onça por onça embala um soco. O gênio cerebeloso pode, em última instância, ser mais importante do que a inteligência cerebral em termos da sobrevivência de nossa espécie humana e precisa ser considerado ao tentar construir andróides sensíveis.

Por exemplo, naqueles casos em que há um "erro inesperado" e você é pego desprevenido por um deslizamento no gelo ou uma pequena falta ao dirigir seu carro, é o seu cerebelo que assume instantaneamente e prediz e coordena cada um dos movimentos musculares complexos que o mantêm ileso e vivo, antes do seu cérebro ter tempo para pensar.

Recentemente, pesquisadores da Penn identificaram como isso funciona em um estudo fascinante sobre a escalada de fibras, grânulos e células de Purkinje, trabalhando em conjunto com precisão rápida. O cerebelo tem o trabalho exaustivo de manter-nos seguros e sadios, embora geralmente tenha sido subestimado por tudo o que faz ao longo de nossas vidas.

Hollywood está oferecendo Robustez Sentiente Topo em 2015

Em 6 de março de 2015, um novo filme sobre um robô sensível chamado "Chappie" será aberto em todo o país. Ainda não vi esse filme, mas, ao assistir ao trailer, é claro que o que define "Chappie" para além de outros robôs humanóides é que ele pode aprender através de experiências sensório-motoras e parece ter tanto o "livro inteligentes" do cérebro e o "Inteligência da rua" de um cerebelo.

Depois de assistir o trailer de Chappie, o que mais me intriga de uma perspectiva neurocientífica é que, como uma criança humana, Chappie, o robô precisa passar pela etapa clássica de Piaget do desenvolvimento sensório-motor, recentemente associada fortemente ao cerebelo.

Esta publicação do blog atual cresceu nos dias desde que encontrei a pesquisa de Scott Frey no mês passado. Estive explorando cada vez mais profundamente a pesquisa cerebelar recente em um esforço para conectar os pontos e espero que comece um diálogo mulitdisciplinar sobre como o cerebelo pode ser fundamental para a criação de robôs e andróides sensíveis. No final desta publicação, incluí uma bibliografia de alguns dos artigos científicos mais relevantes que encontrei que abordam esse ponto.

Além da pesquisa de Scott Frey no Missouri, um estudo diferente de fevereiro de 2015 parece refletir o potencial que a pesquisa cerebelar leva a fazer coisas incrivelmente boas para a humanidade, mas também é potencial para criar uma futura distopia robótica. No mês passado, pesquisadores da RIKEN no Japão relataram que foram capazes de cultivar células de Purkinje e uma massa cerebelar em uma placa Petri, usando células-tronco humanas.

Em The Terminator, o cyborg de Arnold Schwarzenegger tinha tecido vivo cobrindo um endosqueleto de metal que foi projetado para o combate. Parece possível que a IA futura possa confiar na criação de tecido vivo artificial de um cérebro humano que possa ser cultivado a partir de células-tronco em um laboratório e anexado a uma fibra sintética e exoesqueleto metálico.

No futuro, podemos ter andróides sensíveis com tecido cerebral real que tem crescido em um laboratório e, em seguida, ligado a um robô ou a um Android com força e inteligência sobre-humana. (E quais seriam os prós e os contras de inventar essa criatura ?!)

Eu me pergunto o quão longe estamos de ter esse tipo de híbrido que se torna uma realidade? Eu não sou um escritor de ficção científica, mas posso facilmente imaginar Isaac Asimov, Aldous Huxley, Arthur C. Clarke, Daniel H. Wilson ou Philip K. Dick usando esta última neurociência para escrever uma novela profética.

O filme Ex Machina é   um thriller de ficção científica, a ser lançado em todo o mundo em abril de 2015, sobre a criação de andrídeos sensíveis em um roteiro que provavelmente colocará o lado mais sombrio da AI e a neurociência da construção de robôs conscientes no centro das atenções.

Ex Machina explora as complexas paisagens psicológicas criadas por robôs AI que podem pensar, amar, sentir, seduzir e odiar. Algumas das cenas deste trailer me lembram de 2001: Uma Odisséia do Espaço quando a HAL decide matar seus criadores e pede desculpas por ter que aniquilar a tripulação da estação espacial.

Para mim, pesquisar e defender o cerebelo é, obviamente, muito pessoal. Uma das razões pelas quais esta publicação no blog foi difícil para mim escrever é que, pela primeira vez, vejo uma possível contração dos cientistas com uma compreensão avançada do cerebelo. O cerebelo é tão misterioso e esquivo. Considero se a decodificação de seus enigmas pode levar a descobertas ambíguas que podem levar a pesadelos de IA e a futuras distopias.

Ao escrever este blog, a "roboética" vem à frente. Quais são as responsabilidades éticas que os pesquisadores da comunidade neurocientífica têm quando se trata de criar robôs sensíveis?

Nos últimos dois anos, o Google vem adquirindo empresas de robô como a Boston Dynamics, tradicionalmente fortemente financiadas pelos militares. Em 2014, a Google comprou pelo menos 6 empresas de robôs, e eles estão sendo muito apertados sobre o plano de jogo. Qual é a agenda da AI da Google?

Tradicionalmente, grande parte da pesquisa do robô AI foi subsidiada pelo Escritório de Ciências da Defesa da DARPA e grupos como o Laboratório de Pesquisa do Exército . No lado positivo, todos os recursos federais que estão sendo investidos no desenvolvimento robótico humanóide podem melhorar a compreensão de como o cérebro funciona e levar a tratamentos que melhoram a vida dos seres humanos ao longo de sua vida útil. Mas, essa pesquisa e desenvolvimento robótico também podem levar a graves disfunções.

O ponto que Scott Frey e eu voltamos uma e outra vez durante a nossa conversa é a importância de se esforçar constantemente para adaptar e aplicar esses avanços na neurociência e na robótica de forma a melhorar vidas.

Minha principal esperança é que esses estudos acabem por melhorar as vidas individuais – como veteranos feridos e pessoas com deficiência – enquanto promovem a humanidade e reduzindo as baixas da guerra.

Referências: Se você gostaria de mergulhar mais profundamente na neurociência deste tópico, abaixo estão links para artigos de revistas recentes que eu encontrei ao pesquisar este post no blog.

1. "Agarrando com a pressão de um botão: as respostas seletivas do aperto no sulco intraparietal anterior humano dependem de relações causais não arbitrárias entre os movimentos das mãos e as ações efectoras finais" Frey SH, Hansen M, Marchal N.
2. "A plasticidade cerebelar distribuída implementa componentes de memória de escala múltipla generalizada em tarefas de sensoriomotor de robô real" Claudia Casellato, Alberto Antonietti et al
3. "Auto-organização do tecido cerebelar polarizado na cultura 3D de células-tronco pluripotentes humanas" Keiko Muguruma, Ayaka Nishiyama, Kouichi Hashimoto, Yoshiki Sasai
4. "Adaptive Cerebellar Spiking Model incorporado no circuito de controle: mudança de contexto e robustez contra o ruído" Luque, Garrido et al.
5. "Relações entre volume cerebelar regional e sensorimotria e função cognitiva em adultos jovens e idosos" Bernard JA, Seidler RD.
6. "Envolvimento do cereal em circuitos sensoriomotores corticais para o controle de movimentos voluntários" Rémi D. Proville, Maria Spolidoro et al
7. "A rápida convergência do aprendizado exige plasticidade entre a oliveira inferior e os núcleos cerebelares profundos em uma tarefa de manipulação: uma simulação robótica de ciclo fechado" Niceto R. Luque, Jesús A. Garrido et al.
8. "Codificação da força de estímulo através de sinais de cálcio analógicos em dendritas de células de Purkinje de camundongos acordados" Farzaneh Najafi, Andrea Giovannucci, Samuel SH Wang, Javier F Medina.
9. "Aumento sensorial de sinais de cálcio em Dendrites individuais de células de Purkinje de ratos acordados" Farzaneh Naja, Andrea Giovannucci, Samuel S.-H. Wang, Javier F. Medina
10. "Ciber-cereal em tempo real: um modelo de rede em grande escala do cerebelo que funciona em tempo real usando uma unidade de processamento de gráficos" Tadashi Yamazakia, Jun Igarashib
11. "A causalidade direta entre as atividades celulares de Purkinje e o aprendizado motor revelado por uma interface cerebelo-máquina utilizando o paradigma de adaptação VOR" Hirata Y, Katagiri K, Tanaka Y.
12. "Robot Learning Manipulation Plans de ação" assistindo "vídeos sem restrições da World Wide Web" Yezhou Yang, Yi Li, Cornelia Fermuller, Yiannis Aloimonos

Se você quiser ler mais sobre o cerebelo em termos leigos, verifique minhas postagens de blog anteriores da Psychology Today :

• "Como as células de Purkinje no Cerebelo estão ligadas ao autismo?"
• "Autismo, Células de Purkinje e Cerebelo estão entrelaçadas"
• "Links de pesquisa Gravidade do autismo com deficiências de habilidades motoras"
• "Como o Cerebelo está ligado ao transtorno bipolar?"
• "O tamanho do cereal está ligado à inteligência humana?"
• "A neurociência do saber sem saber"
• "Área Primária do Cérebro Ligada à Inteligência Humana"
• "A misteriosa neurociência da aprendizagem de habilidades automáticas"
• "Muito pensamento cristalizado reduz a inteligência fluida"
• "A Neurobiologia da Graça sob pressão"
• "Como o Vagus Nerve Convey Gut Instincts para o cérebro?"
• "Por que Overthinking causa atletas para sufocar?"
• "Para um novo modelo de Split-Brain: Brain Brain"
• "Os neurocientistas descobrem como a prática é perfeita"
• "Como o cerebelo está ligado aos distúrbios do espectro autista?"
• "Problemas familiares da infância podem desencadear o desenvolvimento do cérebro"
• "A neurociência de calmar um bebê"
• "Por que a dança é tão boa para seu cérebro?"
• "O sucesso duradouro da neurociência do Madonna"
• "Gesturing Engages The Four Hemispheres Brain"
• "A neurociência da superfluidez"
• "Mais uma razão para desconectar sua televisão"
• "Melhores habilidades motoras ligadas a pontuações académicas superiores"
• "Coordenação mão-olho melhora habilidades cognitivas e sociais"
• "A neurociência da imaginação"
• "Pode praticar sozinho criar domínio?"
• "Não. 1 Razão prática torna perfeita "

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