ATINGINDO O ESTÁGIO DE SONO EM UM ARTEFATO ROBÓTICO: NEUROFISIOLOGIA APLICADA

Transcrição

1 ATINGINDO O ESTÁGIO DE SONO EM UM ARTEFATO ROBÓTICO: NEUROFISIOLOGIA APLICADA RESUMO A atividade neural existe em resposta a propriedades físicas do mundo como estímulo à orientação de uma linha no campo receptivo de uma célula nervosa. Isso pode ser associado com representações mentais que formam os conteúdos de consciência. Estas representações surgem Palavras-chave: sono; robô; inteligência artificial; neural. Francisco Antonio Fernandes Reinaldo 1 graças ao conhecimento adquirido ao longo de uma vida. Logo, é possível um artefato robótico atingir a fase de sono e sonhar? Este artigo aborda o estágio do sono e alega a possibilidade deste feito, em um artefato robótico, usando da inteligência artificial. 1. Mestre em Ciências da Computação pela UFSC. Professor do CSI e Coordenador do Laboratório de Inteligência Computacional do Unileste-MG. The neural activity exists in response to physical properties of the world as incentive to the orientation of a line in the receptive field of a nervous cell. This research can be associated with mental representations where building contents Key words: sleep; robot; artificial intelligence; neural. of conscience. These representations are appearing in knowledge acquired along a life. Therefore, is possible a robot to sleep to dream? This article presents the sleep alleges the possibility of this fact, in a robot, using artificial intelligence. INTRODUÇÃO A proposta desse artigo é provar que existe a possibilidade de atingir o estágio de sono em um artefato robótico. O Robotic Institute of America (RIA) define um artefato robótico como sendo um manipulador programável multifuncional capaz de mover materiais, ferramentas ou outro dispositivo. Estes movimentos acontecem de forma especializada e são previamente programados para realizar uma variedade de tarefas (Roisenberg, 1998; Martins, 1993). A linha antropocêntrica alega o sono como um estado particular da consciência dos seres humanos. Frith (1999) e Schimdt (1979) afirmam que os mamíferos, independentemente da capacidade cognitiva, podem atingir a fase do sono. Este artigo alega que uma máquina usando Inteligência Artificial Conexionista (IAC) também pode atingir a fase do sono. A linha de pesquisa conexionista estuda o surgimento de comportamentos autônomos em artefatos robóticos. O Grupo de Inteligência Computacional (GIC) se interessa pelo estudo de comportamentos emergentes em artefatos robóticos, sendo eles endógenos ou outros. Como motivação ao desenvolvimento desse assunto, espera-se constatar que o robô também gere o comportamento de sono através da implementação de um programa-objeto. 61

2 REINALDO, Francisco A. F. Buscando resolver estes tipos de problemas e discordar da antropocentricidade que foi estabelecida por Frith (1999) e Schimdt (1979), a proposta desse artigo levanta as seguintes hipóteses/metas: O Sono: O que é? Como funciona? Como pode ser alcançado? Quais são os seus tipos? O Sonho: Existe diferença significativa entre o ato de sonhar e o de atingir a fase de sono? O Artefato: Como é possível que um robô simule o estado de sono? Para tanto, o artigo estuda o sono, o sonho e a sua possível ocorrência com um robô usando Redes Neurais Artificiais (RNAs). O SONO O sono é uma forma funcional alternativa de organização das informações no cérebro (redes neuronais). Não deve ser equiparado a um repouso cerebral, pelo contrário, os dados neurofisiológicos demonstram que a atividade neuronal do cérebro, durante as diversas fases do sono, é de complexidade semelhante a que se verifica durante o estado de vigília (Schimdt, 1979). Guyton (1997) apresenta dois tipos de sono: a. Sono REM (Rapid Eyes Moviments): também chamado de sono dessincronizado ou paradoxal. Nesse tipo, o sonho existe e é lembrado em 95% dos casos (Schimdt, 1979). Associado a sonhos intensos, o metabolismo global do encéfalo pode aumentar até 20%; b. Sono NREM (não REM) de ondas lentas: também chamado de sono sem sonhos. Neste tipo, o sonho não acontece ou não é lembrado, ou seja, não ocorre o processo de consolidação do sonho na memória (Schimdt, 1979). Caracterizado por ser repousante, apresenta diminuição do tônus vascular e de outras funções vegetativas do corpo. Guyton (1997) e Schimdt (1979) delimitam as ondas cerebrais em cinco fases, conforme visto na FIG. 1, mensuradas por um Eletroencefalograma (EEG): 62 FIGURA 1 Diferentes tipos de ondas eletroencefalográficas normais Fonte: Guyton (1997)

3 ATINGINDO O ESTÁGIO DE SONO EM UM ARTEFATO ROBÓTICO: NEUROFISIOLOGIA APLICADA a. Alfa: ondas rítmicas que ocorrem em uma freqüência entre 8 e 13 ciclos por segundos, vigília descontraída e predomínio do ritmo alfa. b. Beta: ondas rítmicas irregulares de alta freqüência, entre 14 e 50 ciclos por segundo. Essas ondas irregulares aparecem quando acontece a ativação extra no sistema nervoso central ou quando o indivíduo sofreu uma tensão acumulada. Através das ondas beta, é difícil distinguir o estado de vigília ou de sono. c. De baixa amplitude: adormecimento do indivíduo e diminuição do ritmo alfa. Nesta etapa aparecem as ondas teta. A freqüência é medida entre 4 e 7 ciclos por segundo e surgem características da REM. Este tipo de onda é detectado em adultos com estresse emocional e distúrbios cerebrais. d. Fusos sono leve e profundo: existe uma contínua diminuição da freqüência até as ondas delta de grande amplitude. As ondas delta são rítmicas e ficam abaixo de 3,5 ciclos por segundo. e. Complexo: sono profundo, grandes e lentas ondas delta. Fundamentação Biológica Pavlov, no século XIX, alegava que: [...] a inibição propagando-se em extensão e em profundidade, provoca diversos graus de hipnose. Quando a sua irradiação do córtex às partes inferiores do encéfalo alcança o seu máximo, provoca o sono normal (Pessoti, 1979). Guyton (1997) complementa: [...] o sono seja provavelmente causado por um processo inibitório ativo. [...] a transecção do tronco cerebral no nível da região médio-pontina leva a um cérebro que nunca adormece. Isto esclarece a existência de algum centro abaixo do nível médio-pontino do tronco cerebral necessário para causar o sono pela inibição de partes superiores do cérebro, conforme se apresenta na FIG. 2. FIGURA 2 Múltiplos centros no troco cerebral Fonte: Guyton (1997) 63

4 REINALDO, Francisco A. F. Fundamentação Bioquímica Experimentos de Guyton (1997) e Schimdt (1979) apontam as substâncias noradrenalina, acetilcolina e a transmissora monoaminérgica serotonina (C10 H12 N 2O), como as responsáveis pela sonolência fase entre vigília e sono. A noradrenalina, pertencente ao grupo da catecolamina, é a responsável pelo estado de vigília, sendo liberada pelas fibras nervosas simpáticas, conforme se demonstra na FIG. 3. Quando o indivíduo atinge o estado de vigília, a noradrenalina é encontrada no páleo e neocortex do indivíduo, localizada na parte interna das cápsulas supra-renais. FIGURA 3 Sistema Nervoso Simpático Fonte: Brodal (1980) A acetilcolina, atuante no sono REM, é uma molécula neurotransmissora que atua na passagem do impulso nervoso dos neurônios para as células musculares. Localizada na porção superior do tronco cerebral, pode causar excesso de atividade que ocorre em certas regiões do cérebro. A serotonina é a responsável pelo sono NREM, sendo secretada pelas terminações das fibras dos neurônios da rafe, segundo evidencia-se na FIG. 4. Este agrupamento de neurônios está localizado no tronco cerebral. O bloqueio ou ausência da substância serotonina, através da administração de um alcalóide reserpina (C 33 H 40 N 2O9, provoca a insônia desaparecimento do sono REM e NREM. Para atingir novamente o sono NREM, deve-se administrar 5HT (5-hidroxitriptofan), substância precursora da serotonina. 64

5 ATINGINDO O ESTÁGIO DE SONO EM UM ARTEFATO ROBÓTICO: NEUROFISIOLOGIA APLICADA FIGURA 4 Principais conexões eferentes do núcleo da rafe Fonte: Brodal (1980) O SONHO O sonho é citado como uma das propriedades da consciência, gerado pelas redes neuronais (Brodal, 1980). Os estímulos exteriores e a plasticidade neuronal, fornecem a base para o amadurecimento cerebral. De acordo com Frith (1999) e Schimdt (1979), os mamíferos recém-nascidos dificilmente poderiam estar em condições de ter uma experiência onírica (visual), devido ao desenvolvimento ainda insuficiente do córtex cerebral. Aqui abre-se uma brecha para atingir o sonho em um artefato, o que não será discutido neste artigo. Passagem do Sono para o Sonho Guyton, na sua obra de 1997, retrata muito bem a transição vigília-sono: Quando os centros do sono não são ativados, a liberação da inibição dos núcleos reticulares mesencefálicos e pontinos superiores permite que esta região se torne espontaneamente ativa. Isso, por sua vez, excita o córtex cerebral e o sistema nervoso periférico. Então, ambos enviam numerosos sinais de feedback positivo de volta aos mesmos núcleos reticulares para ativá-los ainda mais. Assim, uma vez iniciada a vigília, esta tem uma tendência natural a se sustentar por causa de toda esta atividade de feedback positivo. Entretanto depois de o cérebro ser ativado por muitas horas, mesmo os neurônios dentro do sistema ativador ficarão presumivelmente fatigados. Conseqüentemente o ciclo de feedback positivo entre os núcleos reticulares mesencefálicos e o córtex será atenuado e os efeitos inibitórios do centro do sono assumirão o comando, levando a rápida transição do estado de vigília ao estado do sono. Então seria possível postular que durante o sono os neurônios excitatórios do sistema reticular ativador gradualmente se tornariam mais e mais excitáveis por causa do repouso prolongado, enquanto os neurônios inibitórios dos centros do sono se tornariam menos excitáveis por causa de sua hiperatividade, levando assim a um novo ciclo da vigília. (Guyton, 1997) O ARTEFATO O robô móvel é um artefato eletromecânico, dotado de sensores e atuadores. Um exemplo disso é o Lego RCX. Desenvolvido de comum acordo com a empresa Lego e o MIT (Massachusetts Institute of Technology USA), o Lego RCX foi lançado como sendo um kit para a construção de robôs. Para esse modelo de robô, pode-se implantar RNAs. Seguem as características do Lego RCX: 65

6 a. Processador Hitachi H8/3292. b. 6 MHz de relógio, 16 KBytes de ROM. c. Três entradas para sensores e três entradas para atuadores. d. Sistema operacional independente, criado por Makus L. Noga. e. 718 peças encaixáveis. REINALDO, Francisco A. F. Um sistema pode comportar-se em diferentes níveis de instrução e controle (Reinaldo, 1996). No item d, um programa-objeto é introduzido na memória do robô de forma a comunicar-se com o ambiente do sistema independente. Esta interação entre sistema e programa-objeto afeta diretamente os aparatos robóticos acoplados (Reinaldo, 2003). RESULTADOS ALCANÇADOS De acordo com Reinaldo (2003), a IAC faz uso da inspiração biológica para gerar comportamentos em robôs móveis. Inspirando-se em um modelo de rede neuronal é possível convertê-lo equivalentemente em um modelo de RNA (Roisenberg, 2000). Existem vários tipos de RNAs, cada uma geradora de um comportamento autônomo (Reinaldo, 2001). Aplicando-se um modelo de RNA no Lego, é possível capacitá-lo a resolver problemas que antes eram feitos por seres vivos, baseando-se no domínio de dados e em seu aprendizado (Reinaldo, 2002 e 2003). Para a experiência com o Lego foram utilizadas as seguintes RNAs: algoritmo de backpropagation, feedback e kohonen. Todas tiveram êxito. A forma como o robô responde a uma questão pode ser considerada como um ato inteligente e consciente. Partindo do suposto que o indivíduo que recebeu a resposta do artefato é inteligente e que esse indivíduo reconhece uma relação binária entre dois conjuntos (problemas e respostas), então o artefato também é inteligente. A interação entre a assinatura da consciência (RNA) e os nervos aferentes do robô podem ser estabelecidos da seguinte forma: relacionando a localização da atividade de neural com as propriedades temporais na forma da interação entre atividade em regiões diferentes do cérebro do robô. Assim, a formação reticular que é a responsável pelo estado de sono em mamíferos pode ser alcançada em um artefato robótico. Os mamíferos atingem os estados NREM e REM, logo o artefato pode atingir seu estado NREM. O estado de sono do robô difere dos seres vivos. O robô não necessita de substâncias endógenas para este efeito. Um sono profundo, sem sonhos, corresponde a perda parcial dos sentidos então isto pode ser alcançado em um robô através de implementação por código-fonte. Para atingir o estágio NREM, o robô deve manter somente seu sistema vegetativo em funcionamento, desligando-se (em parte) do mundo exterior. A forma para atingir o estágio de sono em uma máquina não deve ser igualada a dos seres vivos, mas sim trabalhada de forma equivalente para que atinja o mesmo resultado final. Essa equivalência entre ciências acontece em várias linhas de pesquisas dentro do Aprendizado de Máquina. Pode-se implementar o sistema vegetativo como um regulador de energia e detector de pressão e movimentos. Sabe-se, para tanto, que a periodicidade circadiana do homem é uma simples questão de adaptação (aprendizado). Para a sobrevivência das células, o relógio biológico trabalha de forma a suprir algumas defasagens temporais-metabólicas e tende a se estabilizar. No caso dos robôs, não é necessário que ele regule o seu período de adaptação para a periodicidade circadiana, mantendo-se sempre em uma fase estável. 66

7 ATINGINDO O ESTÁGIO DE SONO EM UM ARTEFATO ROBÓTICO: NEUROFISIOLOGIA APLICADA Contudo, para que se torne um sistema fiel ao dos mamíferos, o acionamento deste dispositivo regulador, responsável pela alimentação das partes vitais, entraria em conformidade com o ciclo circadiano. A forma funcional alternativa de organização das informações aconteceria no período vegetativo do artefato, NREM. Nessa fase de organização poderia também acontecer uma checagem rotineira de todo seu sistema elétrico. Essa checagem também acontece com os mamíferos, assim chamada de ciclo de feedback. CONCLUSÃO Existe uma plausibilidade lógica que leva a dedução de que se pode atingir a fase de sono em um robô. O texto acima fundamentou e mostrou isto. Para tanto, deve-se ter inserido no robô um sistema vegetativo central parecido como um sistema nervoso central. Não há, a priori, a necessidade de sonhar, mas de atingir o estado NREM, sendo esse alcançando com muito sucesso em nosso laboratório. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRODAL, A. Neurological anatomy in relation to clinical medicine. 3. ed. New York : Oxford University, p. FRITH, C.; PERRY, R.; LUMER, E. The neural correlates of conscious experience: an experimental framework. Trends in Cognitive Science, v. 3, n. 3, p , GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Human physiology and mechanisms of disease. 6. ed. Philadelphia: W. B. Saunders, p. PAVLOV, I. P. Fisiologia da atividade nervosa superior. In: CONGRESSO MUNDIAL DE FISIOLOGIA, 14., 1932, Roma. Relatório... Roma: [s.n], 1932 apud PESSOTTI, I. Psicologia. São Paulo: Ática, p , PESSOTTI, I. Psicologia. São Paulo: Ática, 1979, p REINALDO, F. A. F. Apresentado um estudo comparativo dos sistemas operacionais OS/2 Warp e Windows95. In: CONTTEIN; CONGRESSO DE TECNOLOGIA, TELECOMUNICAÇÕES E INFORMÁTICA, 2., 1996, Londrina. Anais... Londrina: [s.n], REINALDO, F. A. F.; ROISENBERG, M. Sistemas baseados em comportamentos robóticos. In: ENCONTRO DE ATIVIDADES CIENTÍFICAS; UNOPAR, 4., 2001, Arapongas. Anais... Londrina: UNOPAR, v. 1. REINALDO, F. A. F.; ROISENBERG, M.; POZZEBON, E. Resposta biológica gerada por um artefato robótico In: SIMPÓSIO CATARINENSE DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS, 2., Florianópolis. Anais... Florianópolis: UFSC, ROISENBERG, M. PiramidNet redes neurais modulares e hierárquicas: fundamentos e aplicações em robótica. Florianópolis: Departamento de Informática e Estatística da UFSC, f. (Projeto de Pesquisa). SCHIMDT, R. F. Neurofisiologia. São Paulo: EPU, p ,