O estudo do cérebro é provavelmente o tópico de pesquisa mais importante de nossos tempos. Uma evidência dessa afirmação foi a concomitante criação de diversas iniciativas relacionadas, incluindo o BRAIN Initiative (Estados Unidos, 2013), o Human Brain Project (Europa, 2013), o Brain/MINDS (Japão, 2014) e o China Brain (China, 2016). A decisão da FAPESP no ano de 2013 de criar o CEPID NeuroMat remete a esse contexto.
A característica que distingue o NeuroMat em comparação às iniciativas supracitadas é a ênfase no desenvolvimento de um novo quadro matemático para enfrentar os desafios levantados pela neurobiologia contemporânea. Isso vai ao encontro das críticas que Edvard Moser, psicólogo e neurocientista norueguês ganhador de um Prêmio Nobel, levantou contra o Human Brain Project, muita embora seja uma crítica que possa ser aplicada também às demais iniciativas:
“As I understand it, tons of data will be put into a supercomputer and this will somehow lead to a global understanding of how the brain works, but to simulate the brain, or a part of the brain, one has to start with some hypothesis about how it works. Until we at least have some well-grounded theoretical framework, building a huge simulation is putting the cart before the horse“.
O objetivo do CEPID NeuroMat é o desenvolvimento desse quadro teórico ao qual Moser se refere e essa iniciativa pioneira coloca São Paulo na vanguarda da pesquisa mundial em neurociência.
Fachada da sede do CEPID NeuroMat
(Marcos Santos / USP Imagens)
Em outras palavras, a missão do CEPID NeuroMat é desenvolver a nova matemática necessária para construir uma “teoria do cérebro”, levando em consideração os dados experimentais coletados pela pesquisa em neurociência. O objetivo em longo prazo é compreender e explicar fenômenos neurocientíficos complexos, com foco no aprendizado e na memória. A neuromatemática é, assim, uma confluência da teoria da probabilidade, da estatística e da neurociência. Isso requer a definição de uma completa nova classe de modelos matemáticos para descrever e explicar de maneira parcimoniosa as diferentes escalas da atividade neural, suas relações e consequências comportamentais. A construção desses modelos ocorre em conjunto com o desenvolvimento de novos métodos estatísticos e computacionais.
O NeuroMat promove e lidera uma rede mundial de mais de cinquenta matemáticos, neurocientistas, cientistas computacionais, estatísticos e clínicos aplicados, de países como Argentina, China, Finlândia, França, Alemanha, Itália, Uruguai e Estados Unidos. Desde a sua criação em 2013, a equipe do NeuroMat produziu mais de 260 artigos, que foram citados até o ano de 2018 mais de 1.300 vezes.
A rede de pesquisa internacional e multidisciplinar construída pelo NeuroMat foi viabilizada dentro do quadro de financiamento de longo prazo dos CEPIDs criado pela FAPESP, visando ao conhecimento de ponta em pesquisa científica, inovação e difusão.
Pesquisa
Uma das principais realizações científicas foi a introdução pela equipe NeuroMat de uma nova classe de processos estocásticos que visam uma descrição mais realista de redes de disparos neuronais. Esses processos são sistemas com infinitas cadeias interativas com memória de alcance variável. Desde seu desenvolvimento, tais processos estocásticos se tornaram parte da agenda de pesquisa de vários centros de pesquisa ao redor do mundo.
Antonio Galves, diretor do CEPID NeuroMat
As contribuições realizadas para a investigação dessa nova classe de processos estocásticos incluem:
- a identificação das condições matemáticas que asseguram a existência dos processos em conjunto com a apresentação de um algoritmo de simulação perfeita para a sua implementação numérica;
- resultados sobre o limite hidrodinâmico dos processos pertencentes à classe. Trata-se de um passo importante para relacionar diferentes escalas de descrição do sistema, desde o nível microscópico, modelando sistemas de neurônios, até os níveis meso e macroscópicos, descrevendo dados de EEG e fMRI;
- a existência de transição de fase para uma instanciação específica destes modelos com vazamento, estabelecendo uma nova estrutura para a investigação rigorosa de transições espontâneas de estados de atividade cerebral, como por exemplo atividades em condições sadias e de lesão. Este é o primeiro resultado de transição de fase rigorosamente provado para um modelo matemático que descreve um sistema interativo de disparos neuronais;
- apresentação de um novo estimador do grafo de interação para modelos nesta classe e a prova de sua forte consistência, não requerendo os pressupostos usuais de estacionariedade e unicidade da medida invariante. Esta contribuição aborda uma questão importante na neurobiologia contemporânea, ou seja, a questão de como inferir interações neurais a partir da atividade de um conjunto de neurônios.
Ainda nesse contexto, outra grande conquista foi a introdução de uma nova abordagem matemática para a conjetura clássica de que o cérebro recupera regularidades estatísticas de sequências de estímulos. Esta abordagem baseia-se em uma nova classe de processos estocásticos, ou seja, sequências de objetos aleatórios impulsionados por cadeias com memória de alcance variável. Tais processos aparecem como bons candidatos para modelar a relação entre sequências de estímulos e sequências de sinais cerebrais adequadamente analisados e estados comportamentais registrados quando expostos a estímulos.
Tal quadro oferece uma nova maneira de modelar o aprendizado estrutural e a memória no cérebro, incluindo as seguintes direções promissoras de pesquisa:
- Ela fornece uma maneira eficaz de identificar a sensibilidade e a reação do cérebro a sequências de estímulos que vão muito além das possibilidades oferecidas pelos métodos atuais baseados na média;
- Como consequência, permite a introdução de toda uma nova classe de protocolos experimentais nos quais dados fisiológicos ou comportamentais são registrados enquanto um voluntário é exposto a sequências de estímulos gerados por uma cadeia estocástica com memória de alcance variável;
- Essa abordagem oferece perspectivas promissoras na neurociência clínica, identificando diferentes assinaturas em resposta a sequências estruturadas de estímulos em distúrbios neurológicos;
- Do ponto de vista puramente estatístico, sequências de objetos aleatórios definidos por cadeias com memória de alcance variável constituem uma ferramenta inovadora na análise de dados funcionais e na estatística de alta dimensão.
Inovação e Transferência de Tecnologia
A missão de inovação do CEPID NeuroMat é desenvolver ferramentas e aplicativos baseados no novo quadro conceitual para entender o cérebro.
Um produto derivado da nova classe de protocolos experimentais criada pelo NeuroMat é o Jogo do Goleiro, um jogo online de código aberto com versões para desktop e dispositivos móveis e que fornece uma ferramenta eficiente para coleta em massa de dados. O jogo está disponível gratuitamente no endereço eletrônico “game.numec.prp.usp.br”, bem como na Apple Store e no Google Play.
O Jogo do Goleiro tem potencial para ser usado como uma ferramenta de avaliação precoce e reabilitação em neurologia, e a equipe de transferência de tecnologia do NeuroMat está atualmente testando sua aplicabilidade em duas frentes de desenvolvimento clínico: em casos de pacientes com a doença de Parkinson e de pacientes com lesões do plexo braquial. Estudos preliminares mostraram que o jogo tem maior poder preditivo do que o teste Montreal Cognitive Assessment (MoCA) para o desempenho da marcha em pessoas com doença de Parkinson.
Aparelhagem de experimentação com o Jogo do Goleiro
O NeuroMat desenvolveu duas novas iniciativas de neurorreabilitação e diagnóstico voltadas para a doença de Parkinson e as lesões do plexo braquial. Tratam-se, respectivamente, das iniciativas “Amparo” e “Abraço”.
O NeuroMat desenvolveu ainda o Neuroscience Experiments System (NES), uma plataforma computacional gratuita, de fácil acesso e também de código aberto, para auxiliar os pesquisadores em coleta de dados e metadados e gerenciamento de experimentos. Até o segundo semestre de 2018, o NES apoiou 22 experimentos, gerenciando dados de cerca de 500 indivíduos.
No mesmo ano de 2018, o NeuroMat lançou o NeuroMat Open Database. Trata-se de um repositório de dados e metadados coletados no NeuroMat, fornecendo acesso on-line gratuito aos dados armazenados.
O grupo do NeuroMat foi pioneiro no uso da análise de grafos de palavras para fenotipagem computacional em psiquiatria, neurologia e educação. Grafos de palavras fornecem uma ferramenta rápida e de baixo custo para quantificar os sintomas psicopatológicos anteriormente acessíveis apenas através do exame qualitativo de especialistas.
Difusão
As atividades do NeuroMat em difusão científica usam meios inovadores para transformar a cultura científica, superando fronteiras artificiais entre áreas e contribuindo para fomentar uma abordagem integrada e genuinamente multidisciplinar para o estudo do cérebro.
O NeuroMat se tornou um player global na ciência da difusão digital. O CEPID foi o maior produtor institucional de conteúdo de matemática na Wikipédia no mundo e o pioneiro do “Ano da Ciência na Wikipédia” em toda a América Latina.
O conteúdo da Wikipédia produzido por ou com o apoio da equipe de difusão do NeuroMat foi visto por mais de 22 milhões de pessoas desde 2014. No mesmo período, foram adicionados 14,3 milhões de palavras na Wikipédia no contexto da Iniciativa Wikipédia do NeuroMat.
O NeuroMat contribuiu ainda com cerca de 10 mil arquivos de mídia para o Wikimedia Commons, o repositório de imagens e vídeos que alimenta a Wikipédia. Todo esse conteúdo foi visualizado 10,4 milhões de vezes apenas em agosto de 2018.
Equipe de difusão científica do NeuroMat
O NeuroMat estabeleceu parcerias com museus para que estes possam compartilhar suas coleções na internet de modo mais eficiente e estruturado. Podem-se citar, particularmente, os casos do Museu Paulista da Universidade de São Paulo, do Museu de Anatomia Veterinária e da Matemateca. Tais parcerias têm se caracterizado como uma atividade fundamental de preservação do conhecimento cultural, especialmente no contexto do incêndio no Museu Nacional, no Rio de Janeiro. A linha de ação do NeuroMat com museus também levou à criação de uma exposição especial sobre a biologia do cérebro no Museu de Anatomia Veterinária (30.000 visitantes todos os anos).
Fomento a uma nova geração de pesquisadores
O NeuroMat está fortemente comprometido em treinar jovens pesquisadores. Os jovens cientistas formados no centro vêm de diferentes origens científicas e países. Essa diversidade promove uma equipe multidisciplinar genuína e uma prática de pesquisa necessária para o desenvolvimento da neurociência contemporânea.
O NeuroMat organiza a Escola Latino-americana de Neurociência Computacional (LASCON), a primeira e mais importante escola de neurociência computacional da América Latina.
Cinquenta e cinco jovens pesquisadores foram treinados no NeuroMat desde sua criação, em 2013. A equipe de jovens pesquisadores que o RIDC NeuroMat treinou inclui: 10 bolsistas de treinamento técnico, 13 pesquisadores de pós-doutorado, 18 doutorandos, 7 mestrandos e 7 bolsistas de jornalismo científico. Esses pesquisadores trabalharam em temas relacionados à teoria da probabilidade, estatística, simulações, desenvolvimento de software, neurobiologia e difusão.
Traço de Ciência 