Programa de Pós-Graduação em Física da UFSC, Florianópolis

O periódico internacional PLOS ONE (da Public Library of Science), publicou, no dia 30 de março, um artigo de autoria dos estudantes do programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Mauricio Girardi Schappo (atualmente pós-doutorando na Universidade McGill do Canadá), Germano Schamann Bortolotto (doutorando), Rafael Vitor Stenzinger (mestrando), de Jheniffer Janice Gonsalves, graduanda em Licenciatura em Física, e do professor Marcelo Henrique Romano Tragtenberg, orientador dos estudantes.

O artigo, intitulado “Phase diagrams and dynamics of a computationally efficient map-based neuron model (Diagramas de fases e dinâmica de um modelo de neurônio baseado em mapas computacionalmente eficiente)” está disponível no site do periódico. O PLOS ONE é um importante periódico interdisciplinar entre ciências exatas, biológicas e medicina, cujo acesso é livre, pela Internet. O trabalho foi parte da tese de doutorado de Schappo, submetida e aprovada pelo Programa em 2016, orientada pelo professor Tragtenberg.

O professor explica que a inspiração do artigo é o aperfeiçoamento de um modelo para neurônio ou elemento excitável de forma geral, que seja computacionalmente mais eficiente. Um modelo semelhante foi proposto em 1996 por Tragtenberg e pelo professor da Universidade de São Paulo (USP), Osame Kinouchi no periódico International Journal of Bifurcation and Chaos. Em 2001, os dois pesquisadores, em conjunto com outros colaboradores, propuseram um sistema modificado, capaz de representar rajadas de disparos, publicado na revista Neurocomputing. O modelo, no entanto, tinha uma função matemática com custo computacional relativamente alto.

“Um estudo detalhado da variedade de comportamentos deste modelo, em função de vários parâmetros, que chamamos de diagramas de fases em Mecânica Estatística, combina Termodinâmica, Sistemas Dinâmicos e Neurociência Computacional”, explica Tragtenberg. Este elemento de estudo, excitável, pode modelar um neurônio ou uma célula cardíaca, além de serem modelos muito utilizados em sistemas dinâmicos, Física e Neurociência Computacional.

Um outro estudo de redes neurais com elementos que também usam a mesma abordagem de tempo discreto, para facilitar a simulação computacional do sistema visual de mamíferos, foi publicado em 2016 em um artigo na revista Nature Scientific Reports. Os autores foram Schappo, Bortolotto, Gonsalves, Tragtenberg e o professor Leonel Teixeira Pinto do Departamento de Engenharia Química e de Alimentos e do Laboratório de Neuroengenharia.

“Descobrimos a ocorrência de uma fase crítica (no sentido de ponto crítico da água) nesse modelo, que pode estar relacionada a uma região de parâmetros onde a rede exibe correlação de longo alcance entre os neurônios. O sistema visual dos mamíferos provavelmente funciona nesse regime. Testes experimentais ainda precisam ser realizados para confirmar essa hipótese da neurociência computacional. A grande vantagem dos modelos de tempo discreto é que exibem comportamentos de sistemas excitáveis reais e permitem simulação computacional muito mais rápida. Atualmente estamos estudando fenômenos relacionados a células cardíacas isoladas e em rede, aperfeiçoamento do modelo de sistema visual de mamíferos, bem como neurônios que preveem disparos dos outros a ele conectados, com resultados muito bons, em comparação com os comportamentos experimentais”, detalha Tragtenberg.