Resumo da notícia
- O estudo combinou inteligência artificial, imagens e sinais elétricos do peixe Gymnotus carapo para reconstruir seus movimentos em 3D com alta precisão, facilitando o acompanhamento detalhado do animal.
- Modelos computacionais criados pelos pesquisadores simularam o campo elétrico do peixe, ajudando a entender como a posição do corpo influencia os sinais elétricos produzidos.
- A tecnologia promete monitorar animais em ambientes escuros ou com água turva, mas ainda precisa avançar para reconstruir movimentos usando apenas os sinais elétricos do peixe.
O peixe elétrico Gymnotus carapo pode ajudar pesquisadores a desenvolver novas formas de acompanhar animais em ambientes onde as câmeras enfrentam dificuldades. Em estudo com participação da Universidade de São Paulo (USP), a equipe combinou inteligência artificial, imagens e sinais elétricos produzidos pelo animal para reconstruir seus movimentos em três dimensões.
A pesquisa pode, no futuro, contribuir para tecnologias capazes de funcionar em locais escuros ou com água turva. Por enquanto, porém, os pesquisadores ainda precisam avançar para conseguir reconstruir os movimentos do peixe somente a partir dos sinais elétricos.
O trabalho foi publicado na revista científica Frontiers in Computational Neuroscience e reuniu pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), do Max Planck Institute for Human Development, na Alemanha, e da Universidad Autónoma de Madrid, na Espanha.
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Inteligência artificial acompanha o peixe em 3D
Os pesquisadores colocaram o Gymnotus carapo em um tanque e utilizaram várias câmeras para registrar seus movimentos. Ao mesmo tempo, eletrodos captaram os sinais elétricos produzidos pelo animal.
A equipe aplicou algoritmos de aprendizado profundo, uma área da inteligência artificial, para identificar pontos do corpo do peixe nas imagens. Com esses dados, os pesquisadores reconstruíram a posição e a postura do animal em três dimensões.
O sistema apresentou precisão espacial na ordem de décimos de milímetro, permitindo acompanhar os movimentos do peixe com alto nível de detalhamento. Assim, os pesquisadores conseguiram relacionar a posição do animal aos sinais elétricos registrados durante a movimentação.
Esse cruzamento de informações representa uma das partes centrais do estudo. Afinal, os cientistas não analisaram apenas onde o peixe estava. Eles também procuraram entender como a posição do corpo interfere no campo elétrico produzido pelo animal.
Modelo reproduz campo elétrico produzido pelo peixe
Depois de reconstruir os movimentos, a equipe criou diferentes modelos computacionais para representar a distribuição das cargas elétricas no corpo do Gymnotus carapo.
Os pesquisadores então simularam o campo elétrico produzido pelo peixe e compararam os resultados com os sinais registrados pelos eletrodos.
O modelo que considerou uma distribuição de cargas mais próxima das características biológicas do animal apresentou melhor correspondência com os dados experimentais do que modelos mais simples.
Esse resultado ajuda a aproximar a modelagem computacional do funcionamento do sistema elétrico do peixe. Além disso, fornece dados que poderão alimentar pesquisas futuras sobre o rastreamento dos animais.
Tecnologia ainda está em desenvolvimento
A possibilidade de usar os próprios sinais elétricos do peixe para reconstruir seus movimentos é uma das perspectivas mais interessantes do trabalho. No entanto, essa etapa ainda não representa um resultado concluído pela pesquisa.
Os dados obtidos agora formam uma base para o desenvolvimento de sistemas de aprendizado de máquina capazes de estimar a posição e a postura do animal a partir das informações elétricas.
Se os próximos estudos confirmarem essa possibilidade, a tecnologia poderá facilitar pesquisas em ambientes nos quais a observação por câmeras se torna difícil.
Água turva e locais com pouca ou nenhuma luz estão entre as situações que podem limitar o uso de imagens. Nesses casos, os sinais elétricos produzidos pelo próprio peixe poderiam fornecer informações adicionais sobre sua localização e seus movimentos.
A metodologia também pode contribuir para estudos com mais de um animal. Os pesquisadores apontam a possibilidade de ampliar o sistema para investigar interações sociais entre peixes elétricos.
Ainda assim, a aplicação não deve ser generalizada para todas as espécies. As características do órgão elétrico variam entre os peixes, e essas diferenças podem exigir adaptações nos modelos utilizados.
Estudantes de graduação participaram da pesquisa
O estudo também envolveu quatro estudantes de Iniciação Científica do IFSC/USP: Felipe O. L. da Mota, Helena Pessoni-Figueiredo, Rafael Seixas e Carlos H. M. de Aquino.
Os estudantes participaram de diferentes etapas do trabalho, incluindo programação, desenvolvimento da metodologia, análise dos dados, validação e investigação. O professor Reynaldo D. Pinto supervisionou o grupo.
Segundo o pesquisador, a ideia da pesquisa surgiu em 2010, durante o doutorado-sanduíche de Caroline Forlim com colaboradores espanhóis. A equipe precisou esperar, entretanto, pelo desenvolvimento de tecnologias que permitissem realizar o experimento da forma planejada.
“Tivemos que aguardar porque a execução dependia de tecnologias que ainda não estavam disponíveis na época. A oportunidade ocorreu junto com o primeiro projeto de iniciação científica dos quatro estudantes que ingressaram no laboratório em 2024 e que assinam este artigo, ainda no terceiro semestre da graduação. Nossa pesquisa é multidisciplinar e eles atuaram de forma integral em todas as etapas: desde o cuidado dos peixes no biotério, à concepção e preparação da arena de filmagem e à construção dos amplificadores não lineares, até à reconstrução cinemática 3D do Gymnotus carapo, a análise e simulação do campo elétrico, as discussões com os colaboradores internacionais, a preparação do artigo e a elaboração da réplica aos revisores”, destaca o docente.
O trabalho recebeu apoio do Programa Unificado de Bolsas da USP, além de recursos do CNPq, da FAPESP e do Ministério da Ciência e Inovação da Espanha.
A pesquisa reúne física, biologia, neurociência, computação e tecnologia. Por enquanto, os resultados mostram como essas áreas podem trabalhar juntas para reconstruir o comportamento de um peixe elétrico. Os próximos estudos deverão indicar se os sinais produzidos pelo próprio animal conseguem, de fato, substituir as câmeras no rastreamento tridimensional.