Neuromatemática, a nova ciência do cérebro

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Foto: Marcos Santos / USP Imagens
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A neurociência ainda não dispõe de um quadro conceitual para interpretar em nível elevado de abstração dados obtidos em experimentos laboratoriais. A situação desta área do saber pode ser diagnosticada, assim, como rica em dados e pobre em teoria. Para sanar esse problema, são necessários novos modelos matemáticos que deem conta dos dados experimentais observados, ou seja, um novo campo da matemática.

Esta nova ciência do cérebro se chama neuromatemática, e é o que estuda o professor Antonio Galves, do Instituto de Matemática e Estatística (IME) da USP. Galves é coordenador do Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) em Neuromatemática, o NeuroMat, financiado pela Fapesp. A empreitada conta com uma equipe composta por matemáticos de áreas diversas, além de neurocientistas, cientistas da computação e médicos da USP e de instituições nacionais e internacionais. “Trata-se de um centro de matemática pura, inspirado nas questões que a neurobiologia nos coloca”, explica Galves.

(Leia mais sobre os Cepids da Universidade em USP sedia 11 dos 17 novos centros de pesquisa e inovação da Fapesp)

Conexões matemáticas

Foto: Marcos Santos / USP Imagens
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Uma das perguntas que o NeuroMat tenta responder é como nosso cérebro codifica e processa estímulos externos. Ao ver uma árvore, por exemplo, é possível reconhecê-la como árvore ainda que seus galhos estejam se movendo ou que suas folhas tenham caído, indicando a capacidade de reconhecermos padrões naquilo que observamos.

Mas este processo é muito mais elaborado do que podemos imaginar em uma primeira análise. Os cientistas suspeitam que o cérebro seja, na verdade, um exímio estatístico. “A ideia é que existe uma regularidade em nível superior do que a simples aparência e essa regularidade é uma regularidade de caráter estatístico”, conta Galves. Esse processo é chamado de seleção estatística de modelos. No exemplo dado, seria a capacidade do cérebro decodificar e processar informações, mesmo variáveis, que fazem com que possamos reconhecer uma árvore. “Procurar regularidades estatísticas através da seleção de modelos é uma ideia revolucionária em neurociência”, afirma o matemático.

Uma das experiências realizadas pelo centro de pesquisa para tentar compreender o funcionamento do cérebro registrou a atividade elétrica cerebral de voluntários expostos a três ritmos musicais diferentes. Os ritmos se expressavam a partir de uma sucessão regular de unidades com batidas fortes, fracas, ou intervalos silenciosos. A isso acrescentou-se o apagamento aleatório de batidas fracas, substituídas por unidades silenciosas. O objetivo da pesquisa era obter evidências experimentais corroborando a hipótese de que o cérebro fazia “seleção estatística de modelos”. Em outras palavras, o que se queria saber é se, a partir de longas amostras produzidas com as sequências rítmicas mais o apagamento aleatório, o cérebro identificava as sequências regulares de base, fossem quais fossem as escolhas aleatórias de apagamento.

Os resultados preliminares obtidos dão força à ideia. “Estamos tentando encontrar evidências de que usar a seleção estatística de modelos como paradigma para a atividade cerebral é viável e factível”, diz Galves. O desafio, explica o professor, é construir modelos que deem conta das evoluções temporais obtidas por meio de registros eletrofisiológicos durante a exposição a estímulos diversos, como rítmicos e visuais.

Banco de dados do cérebro

A atuação dos Cepids financiados pela Fapesp prevê, além da investigação científica, a contribuição com a inovação por meio da transferência tecnológica. No caso do NeuroMat, esse objetivo é embasado nos princípios da ciência aberta: pesquisas financiadas com dinheiro público devem ser acessíveis a todos e beneficiar toda a sociedade. Em especial, no NeuroMat são desenvolvidas ferramentas computacionais que serão disponibilizadas à comunidade científica para uso em pesquisa, propiciando, dessa forma, avanços na saúde pública.

Foto: Marcos Santos / USP Imagens
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Atualmente, o grupo trabalha na construção de um banco de dados que reunirá informações de experimentos e análises em neurociência, envolvendo pacientes do Instituto de Neurologia Deolindo Couto (INDC) da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que sofreram lesões no plexo braquial. Trata-se de pessoas que devido, por exemplo, a um acidente de moto, tiveram o sistema que controla os movimentos e sensações no braço gravemente comprometido. Nesse cenário, o banco de dados tem como principal objetivo descrever e armazenar os dados destes experimentos e análises de forma padronizada, além de promover eficiência e segurança no armazenamento e busca de dados.

A construção do repositório de dados, coordenada pela professora do Departamento de Ciência da Computação do IME Kelly Braghetto, vem sendo desenvolvido junto ao Centro de Competência em Software Livre (CCSL) da USP. A ideia é que o banco de dados hoje desenvolvido para o INDC seja facilmente adaptável, para gerenciar também dados pertencentes a outros campos da neurociência, explica a professora de Ciência da Computação da Universidade Federal de Ouro Preto, Amanda Nascimento, que participa da construção dessas ferramentas computacionais. “Está prevista, também, a construção de um portal para facilitar o acesso a todos os dados resultantes das pesquisas do NeuroMat e apoiar a integração dos pesquisadores e o acesso aos dados”, comenta Amanda.

Segundo o coordenador do NeuroMat, Antonio Galves, a participação de profissionais da computação, incluindo especialistas, pesquisadores e estudantes de graduação, mestrado e doutorado, trouxe um novo olhar às questões abordadas pelo projeto, melhorando a qualidade das reflexões, reforçando a importância da multidisciplinaridade para as atividades do grupo. “O Cepid também tem a função de formação de uma nova geração de pesquisadores”, observa o matemático.

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