Simulações computacionais descrevem rearranjo de conexões neuronais

Principal órgão e centro do sistema nervoso, o cérebro possui aquilo que especialistas chamam de neuroplasticidade: a capacidade de reorganizar caminhos neurais em resposta a novas informações, ambientes, estímulos sensoriais ou danos. Para entender como as redes de neurônios se organizam, mudando conexões e comportamento, o professor Rafael Ribaski Borges, do Departamento Acadêmico de Matemática (Damat) do Câmpus Apucarana, tem participado de estudos que desenvolvem simulações computacionais da interação entre neurônios em uma rede com acoplamento inicial global, na qual cada neurônio está conectado a todos os outros.

Um dos resultados da pesquisa foi o artigo "Spike timing-dependent plasticity induces non-trivial topology in the brain", publicado em abril na revista Neural Networks. A publicação corresponde a uma parte da tese de Rafael Borges, defendida em 2016 no Programa de Pós-Graduação em Ciências/Física da Universidade Estadual de Ponta Grossa (PPGFísica/UEPG), sob orientação do professor Antonio Marcos Batista.

O estudo foi desenvolvido em cooperação com integrantes do Grupo de Controle de Oscilações do Instituto de Física da USP, do qual fazem parte os pesquisadores Iberê L. Caldas, Kelly C. Iarosz e Fernando S. Borges. Também participaram da pesquisa Antonio M. Batista (UEPG), Ewandson L. Lameu (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), Murilo S. Baptista (University of Aberdeen, Reino Unido) e Chris G. Antonopoulos (Universidade de Essex, Reino Unido).

Nas simulações, o acoplamento inicial global – ou seja, a conexão entre todos os neurônios – foi modelado por meio de sinapses excitatórias e inibitórias. Os pesquisadores também consideraram que a intensidade dessas conexões entre os neurônios eram modificáveis com o tempo, seguindo um modelo matemático de plasticidade sináptica conhecido como STDP (sigla em inglês para spike timing-dependent plasticity).

Com a inclusão da STDP nas simulações, os pesquisadores observaram que a rede neuronal passou a evoluir para uma topologia complexa, muito diferente da configuração simples inicial. "Com isso, verificamos mudanças significativas na sincronização/dessincronização da rede neuronal", explica Rafael Borges.

As simulações computacionais possibilitaram a descrição, em linguagem matemática, do processo biológico caracterizado pelo rearranjo das conexões neuronais. "Essa é a principal contribuição do trabalho. Desse modo, é possível observar o que acontece no cérebro em contextos diversos, como de lesões, doenças neurodegenerativas, novas experiências, aprendizado etc.", afirma o pesquisador.

A busca por compreender um pouco mais o funcionamento do cérebro continua e, atualmente, o professor Rafael Borges é pesquisador pós-doutorando do grupo de pesquisa "Dinâmica não linear e sistemas complexos" da UEPG e está desenvolvendo pesquisas nas áreas de "Modelagem matemática e computacional da dinâmica de redes neuronais", "Desenvolvimento de métodos de controle/supressão da sincronização em redes neuronais” e o “Estudo da sincronização de neurônios em redes reais”, em que trabalha com uma rede composta de 78 áreas do cérebro humano.

No Câmpus Apucarana, Rafael Borges está iniciando uma parceria com o professor Leandro da Silva Pereira, também do Damat. “Pretendemos desenvolver um trabalho que visa comparar resultados analíticos e computacionais com os obtidos em circuitos elétricos reais. A médio prazo, planejamos criar um grupo de pesquisa dentro da instituição, no qual poderão ser inseridos alunos de iniciação científica”, conta.