Pesquisadores criam rato virtual capaz de simular ansiedade

Encontrar alternativas ao uso de animais em experimentos é um dos desafios da ciência para os próximos anos

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Com base numa equação matemática, pesquisadores da USP em Ribeirão Preto dão um importante passo para a substituição dos animais em pesquisas, pelo menos nas que avaliam ansiedade em ratos em um labirinto específico.

Renato Tinós e Ariadne de Andrade Costa - Foto: Divulgação/FFCLRP
Renato Tinós e Ariadne de Andrade Costa – Foto: Divulgação/FFCLRP

Os pesquisadores do Departamento de Computação e Matemática e do Departamento de Física da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) da USP criaram um programa de computador que, com base numa equação matemática, é capaz de reproduzir comportamentos de ansiedade/medo de ratos em testes de psicologia experimental. O modelo simula, inclusive, efeitos de drogas ansiolíticas e ansiogênicas, que, respectivamente, reduzem e aumentam a ansiedade do animal. Esse é um novo modelo virtual desenvolvido no Brasil, o país que mais tem estudado esse problema no mundo, assegura Ariadne de Andrade Costa (foto), que trabalhou no novo sistema sob orientação do professor Renato Tinós (foto).

O rato virtual desenvolvido por Ariadne, na verdade é uma rede neural artificial (uma estratégia de Inteligência Artificial, inspirada no funcionamento de redes de neurônios do sistema nervoso) que foi avaliada em um “labirinto de cruz elevado” – instrumento utilizado em pesquisas que avaliam ansiedade e defesa de ratos e camundongos em laboratório.

 Foto: Divulgação/FFCLRP
Labirinto de cruz elevado usado como modelo para estudo da ansiedade – Foto: Divulgação/FFCLRP

A importância do modelo que criou, diz a pesquisadora, vai além da redução do uso de animais em experimentos. Ela garante que modela “um rato muito parecido com um rato médio, capaz de se comportar como um rato real” nesse labirinto. Com ele, “é possível predizer efeitos de dosagens diferentes de drogas ansiogênicas e ansiolíticas”.

Os resultados foram comparados com informações de ratos reais, de estudos realizados no laboratório do professor Silvio Morato de Carvalho, do Departamento de Psicologia da FFCLRP. Para isso, os pesquisadores propuseram a elaboração de equações matemáticas para verificar diversas variáveis envolvidas no modo como o rato se comporta no labirinto.

Até o momento, segundo o professor Tinós, os modelos de ratos virtuais apresentados eram limitados. “A comparação com ratos reais mostrou que o rato virtual consegue reproduzir diversos comportamentos com ‘significância estatística’”, comemora Ariadne.

Então, continua ela, “se um ansiolítico novo precisa ser testado, os ratos em labirinto são muito usados para saber se a droga cumpre sua função; nesses casos, podemos usar rato virtual para predizer os efeitos da droga no comportamento do animal”. Para a pesquisadora, essa inovação pode dispensar, em partes, o uso de animais e seus sacrifícios, pois “as respostas podem ser verificadas por análises virtuais”.

Treinando ratos por seleção natural

No modelo proposto, uma rede neural artificial controla o rato virtual, papel semelhante ao do cérebro do rato real. Essa rede do rato virtual é otimizada por meio de um Algoritmo Genético, um outro algoritmo de Inteligência Artificial inspirado na evolução por seleção natural encontrada na Natureza. Inicialmente no Algoritmo Genético, os “ratos receberam informações aleatórias e, conforme eles avançaram pelo programa, suas redes neurais adquiriam novos conhecimentos”, conta a pesquisadora.

Ariadne conta que os ratos virtuais passam por uma evolução que faz com que se adaptem ao ambiente. Esta evolução é possível devido a uma função matemática, proposta em seu trabalho de doutorado. “A função vai guiar a evolução desse rato virtual e permite que tenhamos vários ratos, cada um com uma rede neural diferente”.

Usando a equação matemática como base, ao final de cada operação, cada rede neural recebia uma pontuação. “Colocamos os ratos no labirinto, fomos evoluindo-os, fazendo cruzamentos aleatórios entre eles e vendo quais eram os melhores”. O programa foi rodado 30 vezes com uma população de mil ratos, cada uma com evolução de 15 mil gerações. “Selecionamos o melhor rato a cada rodada e ao final obtivemos os 30 melhores ratos para estudar o comportamento médio desse animal no labirinto”.

Redes neurais e GPS

A partir do desenvolvimento da fórmula matemática que orientava as redes neurais artificiais, foi possível detectar e entender o funcionamento de alguns tipos de informações sensoriais utilizadas pelo rato real. O programa usou “sensores de parede” do labirinto. Esses sensores eram de curta ou de loga distância. O sensor de curta distância pode ser comparado ao “bigode” do rato, que é usado como um meio de perceber os objetos pelo contato. Além do bigode, que servia de sensor de curta distância, conseguiram simular sua visão – o sensor de longa distância. Ariadne conta que verificaram “como o animal se movimenta, observando sua trajetória dentro do labirinto”.

Foto: Wikimedia Commons
Foto: Wikimedia Commons

Mais que criar uma população virtual de ratos inteligentes, os estudos investigaram também a rede neural individual de cada animal, distinguindo até os tipos de sensores que cada um preferia. Como houve evolução dos animais virtuais, o cérebro deles foi incrementado. Além da parte sensorial – a visual e aquela percebida pelos “bigodes”, os ratos também passaram a contar com a memória de suas experiências na hora de tomada de decisões no labirinto.

O sistema imita, de modo simplificado, o funcionamento de um cérebro normal, adianta Ariadne. Ao final dessa análise, “vimos que um rato virtual com pouca memória não consegue se guiar como um rato real no labirinto. Ele precisa de um mínimo de informação, de armazenamento, para conseguir se lembrar do que fez para saber como agirá”, conta.

Outro dado importante, detectado pelo sistema criado na USP de Ribeirão Preto, foi verificar como funcionam os mecanismos de geolocalização no cérebro dos ratos. Os “neurônios” das redes neurais sinalizaram para os pesquisadores “alguns possíveis mecanismos de orientação espacial e como o rato entende o ambiente no qual ele está inserido”. Esses mecanismos vão ao encontro de resultados de pesquisas com animais reais que estudam as capacidades de mapeamento dos neurônios, como um GPS.

“Muito além do que já havia sido feito em termos de programação nesses sistemas, conseguimos até entender funções do neurônio, como um sistema de tipo GPS”, arremata a pesquisadora.

Rita Stella / Serviço de Comunicação do Campus da USP em Ribeirão Preto

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