Por Riccardo Sturani

No dia 11 de Fevereiro foram anunciadas duas descobertas de grande importância científica diretamente relacionadas com uma das previsões mais importantes da teoria da Relatividade Geral de Einstein: a primeira detecção direta de ondas gravitacionais e a primeira observação da colisão e fusão de um par de buracos negros.

Este evento cataclísmico, conhecido como GW150914, ocorreu em uma galáxia distante mais de um bilhão de anos-luz da Terra. Ele foi observado em 14 de Setembro 2015 às 6:51 hora de Brasília pelos dois detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (sigla LIGO em Inglês).

Da morfologia do sinal podemos deduzir as massas dos buracos negros: 32 e 29 massas solares com uma incerteza de aproximadamente 20%, das quais podemos estimar, através da Relatividade Geral, que a energia emitida na forma de ondas gravitacionais ao longo da coalescência foi cerca de 3 vezes a massa do Sol, a maioria emitida em uma fração de segundo. O pico de luminosidade correspondente  é aproximativamente de 1056 ergs/s. Para comparação, a luminosidade do sol é de 4 × 1033 erg/s e aquela do gamma ray burst mais luminoso nunca observado é de ∼ 5 × 1054 erg/s no caso de emissão isotrópica.

A fusão de dois buracos negros formou um único buraco negro de massa correspondente a 62 vezes a do Sol. Além disso, se conclui que o buraco negro remanescente tem spin correspondendo a um buraco negro de Kerr, com um valor aproximativamente de 0.67. Esses resultados indicam que GW150914 ocorreu à um redshift de cerca 0.09.

O avanço marca o começo de uma nova era em astronomia abrindo uma nova janela de observação do universo sob a forma de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais são oscilaçãoes do espaço-tempo causadas por qualquer massas aceleradas. Nas últimas décadas, já se havia acumulado fortes evidências de que as ondas gravitacionais existem, devido a seus efeitos em órbitas próximas de pares de estrelas de nêutrons em nossa galáxia. Os resultados destes estudos concordam muito bem com a teoria de Einstein possuindo exatamente o mesmo decaimento orbital previsto pela teoria e que é devido à perda de energia transportada por ondas gravitacionais. No entanto, a detecção direta de ondas gravitacionais tem sido amplamente desejada pela comunidade científica já que esta descoberta iria fornecer maneiras novas e mais robustas para testar a relatividade geral sob condições extremas, abrindo uma nova maneira para explorar o universo.

Os valores estimados das massas antes da fusão dos dois componentes de GW150914 são em si um argumento muito forte para assegurar que os dois são buracos negros, especialmente se consideramos a pequena separação das duas componentes necessária para gerar um sinal da frequência observada: o sinal entra na banda do LIGO acerca de 30 Hz e atinge uma frequência máxima de 250 Hz. Os buracos negros são os únicos objetos conhecidos que são suficientemente compactos para estarem tão perto sem se fundirem.

Essa é a primeira observação de um par de buracos negros, mas não se trata da primeira observação de buracos negros em geral.

Embora, por definição, não possamos “ver” a luz de um buraco negro, já que são densos e compactos que nem mesmo a luz poderia escapar de sua atração gravitacional, astrônomos reuniram uma importante coleção de evidências de sua existência estudando os efeitos desses candidatos a buracos negros na área ao redor deles. Por exemplo, acredita-se que a maioria das galáxias, incluindo a Via Láctea contém um buraco negro supermassivo (∼ 106 vezes a massa do Sol) no seu centro – com massas de milhões ou até bilhões de vezes maior que a do Sol. Também existem evidências de buracos negros com massas muito menores (de poucas vezes até uma dúzia de vezes a massa do Sol), que se acredita serem restos de estrelas mortas que sofreram uma explosão cataclísmica, chamado de um colapso do núcleo supernova.

Além destes progressos substanciais na observação indireta de buracos negros, a nossa compreensão teórica desses estranhos objetos foi drasticamente melhorada na última década por avanços notáveis na capacidade de simular em computador desde as várias órbitas muito próximas até a fusão de um sistema binário de buracos negros. Estes modelos permitiram a criação de ondas gravitacionais emitidas por buracos negros: o conhecimento de como essas evoluem à medida que os buracos negros ficam mais próximos até finalmente se fundirem em um único buraco negro mais massivo é necessário para maximizar as informações que podemos tirar da observação.

LIGO é o maior observatório de ondas gravitacionais e um dos mais sofisticados experimentos de física do mundo. Composto por dois grandes interferômetros a laser localizados a ∼ 3000 Km de distância, em Livingston, Louisiana e Hanford, Washington, LIGO usa as propriedades físicas da luz e do espaço para detectar ondas gravitacionais – um conceito que foi proposto pela primeira vez nas décadas de 60 e 70. Um primeiro conjunto de detectores foi concluído no início de 2000, incluindo TAMA300 no Japão, GEO600 na Alemanha, LIGO nos Estados Unidos e Virgo na Itália. Em seguida, e usando combinações destes detectores, foram feitas observações conjuntas entre 2002 e 2011, sem se obter qualquer detecção de ondas gravitacionais. Depois de melhorias significativas realizadas, os detectores LIGO começaram a operar em 2015 como LIGO Avançado: os primeiros de uma rede global de detectores significativamente mais sensíveis. Os LIGO estão agora desligados, o reinicio da tomada de dados é prevista em conjunto para o final desse ano.

Um interferômetro como o LIGO consiste de dois braços perpendiculares (no caso do LIGO estes braços medem 4 km) em que um feixe de laser é enviado e refletido pelos espelhos no final dos braços. Quando uma onda gravitacional passa, a ampliação e o encolhimento do espaço faz com que os braços do interferômetro se alonguem e encolham alternadamente, um fica menor enquanto o outro fica maior e vice-versa. Como os braços alteram de comprimento por efeito das ondas gravitacionais, os feixes a laser viajam distâncias diferentes através dos braços, o que significa que os dois feixes não estão mais em fase e logo é produzido o que chamamos de padrão de interferência.

A diferença entre o comprimento dos dois braços é proporcional à intensidade da onda gravitacional que está passando: em uma onda gravitacional típica, supõe-se que esta amplitude de deformação deva ser, aproximadamente, menor que o diâmetro de um próton! Ainda assim os interferômetros LIGO são tão sensíveis que eles podem medir esses valores extremamente pequenos.

Para detectar com sucesso uma onda gravitacional como GW150914, os detectores LIGO precisam combinar uma grande sensibilidade com a capacidade de isolar os sinais reais das fontes de ruído instrumental: pequenas perturbações devido, por exemplo, a efeitos ambientais ou ao próprio instrumento, poderiam imitar ou superar os padrões de ondas gravitacionais que estamos buscando. Com dois detectores disponíveis temos a vantagem de poder separar o sinal real da onda gravitacional de possíveis ruídos e perturbações.

Operar uma rede de dois ou mais detectores também nos permite, por triangulação, posicionar a direção no céu da onda gravitacional observada uma vez conhecida a diferença de tempo de chegada em cada detector. Quanto mais detectores na rede, mais precisa será a localização no céu da fonte emissora desta onda gravitacional. Em 2016, o detector Virgo Avançado, na Itália, vai juntar-se à rede global – além de estar prevista a construção de outros interferômetros avançados como o KAGRA no Japão e um terceiro LIGO na Índia.

A caracterização do ruído de fundo é uma parte essencial da pesquisa do LIGO, e envolve o monitoramento uma grande coleção de dados ambientais gravados nos dois locais: movimento do solo, variações da temperatura e flutuações da potência do laser, entre outros, que são monitorados em tempo real para controlar o estado dos interferômetros. Um problema em um desses canais ambientais ou instrumentais causa o descarte dos dados recolhidos pelo detector.

Além disso, para excluir a possibilidade de uma flutuação de ruído incomum, LIGO estimou a probabilidade dessa coincidência acontecer acidentalmente através de uma série de deslocamentos de tempo entre os dados do LIGO Hanford e LIGO Livingston, para criar um conjunto de dados de maior duração e para procurar sinais coincidentes que sejam atribuídos com certeza ao ruído e não às ondas gravitacionais.

Usando apenas deslocamentos de tempo maiores do que 10 milissegundos (o tempo de percurso entre os dois detectores, o GW150914 foi detectado nos dois LIGO com uma diferencia de tempo de 7ms).

A taxa de falso alarme estimada é de um evento a cada 200.000 anos. Esta taxa de falso alarme pode ser traduzida pela conhecida variável ”Sigma” (indicada por σ) de uma distribuição normal Gaussiana fornecendo um valor de 5.1 vezes σ.

A primeira detecção de ondas gravitacionais e a primeira observação da fusão de um sistema de dois buracos negros são conquistas significativamente notáveis, mas representam apenas a primeira página em um excitante novo capítulo na astronomia.

Os projetos futuros incluem melhorias nos detectores LIGO Avançados e a extensão da rede global de detectores para incluir o Virgo Avançado, KAGRA, e um possível terceiro detector LIGO na Índia, o que irá melhorar significativamente a nossa capacidade de localizar posições de fontes de ondas gravitacionais no céu e estimar suas propriedade físicas. O novo campo da astronomia de ondas gravitacionais parece ter um futuro brilhante pela frente!

The LIGO Scientific and Virgo Collaborations, Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 6, 061102 [arXiv:1602.03837 [gr-qc]].

Pesquisadores no Brasil contribuindo para a descoberta

Existem dois grupos no Brasil, ambos no estado de São Paulo, que participam oficialmente da LSC. O primeiro deles está na Divisão de Astrofísica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos, órgão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação e conta com seis membros e o outro no Instituto de Pesquisa Fundamental da América do Sul, filiado ao Centro Internacional de Física Teórica (sigla ICTP-SAIFR em inglês), localizado no IFT/UNESP, na cidade de São Paulo. O grupo do INPE dirigido por Odylio Aguilar trabalha no aperfeiçoamento da instrumentação de isolamento vibracional do LIGO, na sua futura operação com espelhos resfriados e na caracterização dos detectores, buscando determinar as suas fontes de ruído.

Já o grupo do ICTP-SAIFR/IFT-UNESP, dirigido por Riccardo Sturani, trabalha na modelagem e análise dos dados de sinais de sistemas estelares binários coalescentes. A modelagem é particularmente importante porque as ondas gravitacionais tem interação muito fraca com toda a matéria tornando necessárias, além de detectores de alto desempenho, técnicas de análises eficazes e uma modelagem teórica precisa dos sinais.

Hilda Cerdeira, do IFT/Unesp, e sua filha, a engenheira Paula Gomez, venceram prêmios de inovação científica por ideia que promete facilitar o dia a dia de pacientes de epilepsia

Uma das grandes dificuldades para pacientes de epilepsia é lidar com a imprevisibilidade das crises. Elas podem acontecer a qualquer momento e quando menos se espera – não importa o local, o horário ou quantas pessoas há ao redor. Além da preocupação com possíveis acidentes, os pacientes, em ocasiões sociais, ainda podem sofrer com o estigma e com o preconceito de pessoas que não entendem a doença.

“Ainda não há no mercado nenhum aparelho que consegue prever crises”, diz Cerdeira. “Antecipá-las poderá ajudar, por exemplo, na prevenção de acidentes, pois dará ao paciente a oportunidade de sair de uma situação de risco”.

Esquema de funcionamento do dispositivo capaz de prever crises de epilepsia: dois pequenos sensores analisam constantemente as ondas cerebrais, monitorando a saúde do paciente e enviando os dados para dispositivos sem fio

Felizmente, esse cenário pode mudar em breve graças a uma inovação brasileira. A física Hilda Cerdeira, professora voluntária da Unesp e pesquisadora aposentada do ICTP, e sua filha, a engenheira Paula Gomez, estão desenvolvendo um dispositivo capaz de informar o paciente, com minutos de antecedência, que uma crise irá ocorrer.

O projeto venceu, em novembro de 2015, o prêmio Empreenda Saúde, do Hospital Sírio-Libanês, de São Paulo, e da Fundação Everis, e chegou a ser finalista do prêmio internacional da Epilepsy Foundation, dos Estados Unidos.

“A possibilidade de detectar crises antes de acontecerem pode abrir novas perspectivas na busca de intervenções para bloquear seu aparecimento”, sugeriu Li Li Min, embaixador da epilepsia no Brasil e pesquisador do Instituto de Pesquisa sobre Neurociências e Neurotecnologia (BRAINN).

APARELHO DISCRETO, ACOMPANHAMENTO CONSTANTE

A ideia do dispositivo de Cerdeira e Gomez é monitorar os sinais cerebrais de maneira contínua, acompanhando “de fora” a comunicação entre neurônios cerebrais. Isso será feito através de dois eletrodos, posicionados de maneira discreta e não invasiva na cabeça do paciente.

Os sinais serão enviados para um pequeno processador, que lembrará um aparelho auditivo, capaz de analisar os padrões cerebrais.

Quando o padrão que precede uma crise epiléptica for detectado, um alerta será enviado para o celular do paciente.

Incidência de epilepsia no mundo: quanto mais carregada a cor, maior a porcentagem da população que convive com a doença – as taxas chegam a ser duas vezes maiores em países do terceiro mundo (Fonte: Universidade de Oxford)

“A imprevisibilidade das crises é um dos aspectos que mais afligem as pessoas com epilepsia”, diz Li. “A possibilidade de saber quando uma crise está para acontecer permitirá a elas se prepararem e se protegerem”.

Para ajudar ainda mais quem tem epilepsia, o aplicativo conta com a opção de avisar automaticamente parentes e amigos de que a crise está vindo.

“Essa função pode ser útil para alertar pais de que uma criança terá uma crise em breve, por exemplo”, explica Gomez.

UNIÃO ENTRE FÍSICA E MEDICINA

Física e medicina podem parecer áreas bastante distantes, mas na verdade são mais próximas do que se imagina. A experiência de Cerdeira com sistemas caóticos, por exemplo, foi decisiva para a idealização e o desenvolvimento do projeto médico.

“Soube do problema quando dei uma palestra em um hospital, há cinco anos, sobre sincronização”, conta ela. “Como a epilepsia é uma condição relacionada à sincronização de neurônios, me interessei por ela e comecei a estudá-la”.

Cerdeira sabia que os padrões de crises de epilepsia podiam ser observados em exames de eletroencefalografia (EEG). Entretanto, devido à complexidade dos sinais neuronais, pesquisas médicas não conseguiam prever crises com acuidade. Cerdeira, então, se perguntou se, analisando exames de EEG, seria possível achar um padrão nesses sinais que precedesse as crises.

Paula (esquerda) e Hilda (direita) comemoram o Prêmio Empreenda Saúde

A pesquisadora discutiu o problema com a filha, Gomez, e elas começaram a trabalhar no projeto. Através de simulações realizadas em computador, Cerdeira e Gomez conseguiram identificar sinais característicos de um surto, que sempre apareciam antes que eles acontecessem. Para tanto, os conhecimentos em sistema caóticos foram fundamentais.

 A partir desta descoberta, mãe e filha desenvolveram um software capaz de detectar tais padrões cerebrais e prever as crises epilépticas.

PREVISÃO DE LANÇAMENTO PARA 2018

As pesquisadoras contam que o software já está pronto e foi testado com dados disponibilizados na internet de 50 pacientes e cerca de 200 surtos de epilepsias focais e generalizadas.

A previsão de crises funcionou em 90% dos casos e antecipou os surtos, em média, em 25 minutos – tempo que permitiria aos pacientes adotar medidas de segurança necessárias na maioria dos casos.

“Esperamos ter o hardware pronto no segundo semestre desse ano e iniciar a fase de testes clínicos”, fala Gomez. “A previsão é que o aparelho fique pronto em 2018”.

As pesquisadoras pretendem também criar uma interface na internet para o software desenvolvido por elas. Dessa maneira, cientistas do mundo inteiro poderão mandar dados de exames para serem analisados.

“O próximo passo será conseguir um volume maior de dados e testar o dispositivo com outros tipos de epilepsia”, diz Cerdeira.

Quem quiser saber mais sobre o projeto pode acessar o site da Epistemic, empresa fundada por Cerdeira e Gomez para o desenvolvimento do dispositivo.

Rogério Rosenfeld took part in debates with Antonio Cicero on the 5th Art and Science edition, and discussed what we currently know and don’t know about the universe

Over the last few weeks, Rogério Rosenfeld, current director of IFT/Unesp and vice-director of ICTP-SAIFR, took part in a series of debates to talk about science and his area – from the microscopic world of Particle Physics to the macroscopic one of galaxies and the universe. The events were part of the 5th Art and Science edition, which brings together professionals from different areas for a series of lectures and discussions in cities throughout Brazil.

Click here to watch one of Rogério Rosenfeld’s talks on the 5th Art and Science edition.

“I enjoyed being part of this initiative because I had the opportunity to talk about science and about my area for the general public, and I think science communication is essential”, says Rogério.

Of the four debates Rogério participated in, three were with the philosopher Antonio Cicero. The theme of these events was the universe: how is the dialogue today between physics and philosophy when it comes to its origin and its mysteries, as dark matter and dark energy?

What we know that we know

In his lectures, Rogério first talked about “what we know that we know” about the universe. At the microscopic extreme, we learned over the centuries that matter is consisted of atoms, that they are divisible into electrons and the nucleus, and that the nucleus is made of neutrons and protons. With scientific and technological advances, we discovered that even these particles could be broken down into quarks. And so the Standard Model was created – a kind of periodic table of the elementary particles of nature. The last major discovery in the area was the detection of the Higgs boson at the LHC in 2012, which completed the model.

In the macroscopic end, we know the age of the universe – 13.7 billion years – we know that it is not static – it’s expanding – and in 1998 we found out that, contrary to what everyone thought, the expansion is accelerating. We also know that the universe is composed of only about 5% of matter as we know it – 24% is dark matter and 71% is dark energy.

What we know that we don’t know

Then Rogerio talked about “what we know that we don’t know”.

“There’s a lot we don’t know about the universe, but at least we know that we don’t know, which is very important,” said Rogério.

An example is the existence of particles beyond the Standard Model – there is the possibility that there are particles in the universe which we couldn’t observe until today. We also know that we don’t know what is dark matter made of and what is dark energy, responsible for the mysterious accelerating expansion of the universe.

“I just didn’t talk about what we don’t know that we don’t know because… I don’t know it”, said the researcher.

Debate

In his talk, Antonio Cicero spoke mainly about the Ápeiron. The word of Greek origin, that means “unlimited, infinite,” refers to the central idea of ​​a cosmological theory created by Anaximander in the sixth century BC. According to it, the ultimate reality, called arché, is eternal and infinite and is not subjected to age or disintegration.

Rogerio provoked Antonio Cicero saying that, in physics, the infinite doesn’t exist.

“How many grains of sand are there on a beach? How many atoms on the planet? A lot, but not infinite. When, in a theory, we find an “infinite”, we know that there is a problem with it”.

The debate was followed by questions from the audience and, at the end, Rogério and Cícero agreed that, despite the fact that philosophy and physics had the same origin, today the areas are quite different.

Click here for more information on the Art and Science events.

Rogério Rosenfeld participa de debates com Antônio Cícero no 5º Ciclo Arte e Ciência, e discute sobre o que atualmente sabemos e não sabemos a respeito do universo

Ao longo das últimas semanas, Rogério Rosenfeld, atual diretor do IFT/Unesp e vice-diretor do ICTP-SAIFR, participou de uma série de debates para falar sobre ciência e sobre sua área – desde o universo microscópico da Física de Partículas até o macroscópico das galáxias e do universo. Os eventos fizeram parte do 5º Ciclo Arte e Ciência, que reúne profissionais de diferentes áreas para uma série de palestras e debates em cidades espalhadas pelo Brasil.

Clique aqui para ver uma das palestras de Rogério Rosenfeld no 5º Ciclo Arte e Ciência.

“Gostei de participar da iniciativa, pois tive a oportunidade de falar sobre ciência e sobre a minha área para o público geral e acho que fazer divulgação científica é essencial”, diz Rogério.

Dos quatro debates que Rogério participou, três foram com o filósofo Antônio Cícero. O tema dos eventos foi o universo: como está hoje o diálogo entre física e filosofia quando se trata da sua origem e de seus mistérios, como matéria e energia escura?

O que sabemos que sabemos        

Em suas palestras, Rogério falou primeiro sobre “o que sabemos que sabemos” em relação ao universo. No extremo microscópico, aprendemos ao longo dos séculos que a matéria é constituída por átomos, que eles são divisíveis em elétrons e núcleo, e que o núcleo é composto por nêutrons e prótons. Com o avanço da ciência, descobrimos que até essas partículas podem ser quebradas em quarks. Assim, foi criado o Modelo Padrão – uma espécie de tabela periódica das partículas elementares da natureza. A última grande descoberta da área foi a detecção do Bóson de Higgs pelo LHC em 2012, que completou o Modelo.

Já no extremo macroscópico, sabemos a idade do universo – 13,7 bilhões de anos -, sabemos que ele não é estático – está expandindo – e, em 1998, descobrimos que, ao contrário do que todos pensavam, a expansão é acelerada. Sabemos também que o universo é composto por apenas cerca de 5% de matéria como a conhecemos – 24% é matéria escura e 71% é energia escura.

O que sabemos que não sabemos

Em seguida, Rogério falou sobre “o que sabemos que não sabemos”.

“Há muito que não sabemos sobre o universo, mas pelo menos sabemos que não sabemos, e isso já é muito importante”, disse Rogério.

Um exemplo disso é a existência de partículas além do Modelo Padrão – há a possibilidade de que existam partículas no universo que nós não conseguimos observar até hoje. Também sabemos que não sabemos do que é feita a matéria escura e o que é a energia escura, responsável pela misteriosa aceleração da expansão do universo.

“Só não falei sobre o que não sabemos que não sabemos porque…eu não sei”, brincou o pesquisador.

Debate

Em sua palestra, Antônio Cícero falou, principalmente, sobre o Ápeiron. A palavra de origem grega, que significa “ilimitado, infinito”, se refere à ideia central de uma teoria cosmológica criada por Anaximandro, no século VI a.C. De acordo com ela, a realidade última, chamada de arché, é eterna e infinita e não está sujeita a idade ou desintegração.

Rogério provocou Antônio Cícero afirmando que, na Física, o infinito não existe.

“Quantos grãos de areia existem em uma praia? Quantos átomos no planeta? São muitos, mas não infinitos. Quando, em uma teoria, encontramos um “infinito”, sabemos que há um problema com ela”.

O debate seguiu com perguntas do público e, ao final, Rogério e Cícero concordaram que, apesar da origem da Filosofia e da Física ser a mesma, hoje as áreas são bastante diferentes.

Para saber mais sobre o Ciclo Arte e Ciência e seus eventos, clique aqui.

Throughout the School on Complex Networks and Neuroscience, held at ICTP-SAIFR from September 28^th to October 16^th, Claudio Mirasso, from the Universitat de les Illes Balears, in Spain, talked about the relation between complex networks and brain research. The physicist, who was also one of the event’s organizers, pointed out how, on one hand, ideas from physics can help us understand neuroscience and, on the other, the way the brain functions may contribute to research in physics.

Brain Functioning

Brain image, highlighting the thalamus

One of Mirasso’s interests is understanding the synchronization between different brain regions.

“In electroencephalography (EEG) studies we see that different brain regions, often not structurally connected, are synchronized”, he says. “Through studies with complex networks, we try to understand this synchronization and the exchange of information between different brain areas”.

One of the reasons for the synchronizations, according to the researcher, is that regions have similar or complementary roles. When we see an object, for instance, information about its shape, color and position in space are sent to the brain, and different areas are activated to process this set of data.

“Among our most recent results, we found that the thalamus is one of the main areas responsible for coordinating this synchrony”, said Mirasso.

Information Processing

If complex networks help us understand how the brain works, the opposite can also happen – especially when it comes to processing information.

“We are living in the era of information”, says Mirasso. “The amount of data we have increases every day, so we need new ways to process all this information”.

One way to make this processing more efficient is to previously sort only the data of interest. This is the technique used by the brain: every second we are bombarded with thousands of visual, sensory and auditory stimuli. However, just relevant information is processed.

“Studying how the brain filters and processes information and trying to copy it can help us create more efficient ways to process data on computers,” says Mirasso.

The brain can also contribute to improve facial and voice recognition engines. Although computers are more efficient than humans when calculating, for example, we are much better when it comes to differentiating faces and voices. Research about what makes our brains specialists in these tasks is a way to improve computer systems that try to distinguish different faces and sounds.

Ao longo da Escola em Redes Complexas e Neurociências, realizada no ICTP-SAIFR entre os dias 28 de setembro e 16 de outubro, Claudio Mirasso, da Universitat de les Illes Balears, da Espanha, falou sobre a relação entre redes complexas e estudos do cérebro. O pesquisador, um dos organizadores do evento, ressaltou como, por um lado, ideias da Física podem ajudar em trabalhos de neurociência e, por outro, como a maneira do cérebro funcionar pode contribuir para pesquisas de ciências exatas.

Funcionamento Cerebral

Imagem do cérebro, com destaque para o tálamo

Um dos interesses de Mirasso é entender a sincronia entre diferentes regiões do cérebro.

“Com estudos de eletroencefalografia (EEG) vemos que regiões do cérebro, muitas vezes não conectadas estruturalmente, estão sincronizadas”, diz ele. “Através de estudos com redes complexas, buscamos compreender como ocorre essa sincronia e a troca de informações entre as diferentes áreas cerebrais”.

Um dos motivos pelos quais isso ocorre, segundo o pesquisador, é que as regiões têm funções semelhantes ou complementares. Quando vemos um objeto, por exemplo, informações sobre sua forma, cor e posição no espaço chegam ao cérebro, e diferentes áreas são ativadas para processar esse conjunto de informações.

“Entre nossos resultados mais recentes, observamos que o tálamo é um dos principais responsáveis pela coordenação dessa sincronia”, afirma Mirasso.

Processamento de informação

Se redes complexas ajudam a entender como o cérebro funciona, o contrário também pode acontecer – principalmente quando se trata de processamento de informações.

“Estamos vivendo a era da informação”, diz Mirasso. “A quantidade de dados aumenta a cada dia e, por isso, precisamos de novas formas para processar toda essa informação”.

Uma das maneiras de tornar o processamento mais eficiente é separar, previamente, apenas os dados de interesse. Essa técnica é a mesma empregada pelo cérebro: todos os segundos somos bombardeados com milhares de estímulos visuais, sensoriais, auditivos e de outras naturezas. Entretanto, apenas o que é relevante é processado.

“Estudar como o cérebro filtra e processa informação e tentar copiá-lo pode nos ajudar a criar maneiras mais eficientes de processar dados em computadores”, afirma Mirasso.

O cérebro também pode contribuir no aprimoramento de mecanismos de reconhecimento facial e de voz. Apesar de computadores serem mais eficientes do que humanos ao realizar cálculos, por exemplo, nós somos muito superiores para diferenciar rostos e vozes. Pesquisar o que torna nossos cérebros especialistas nessas funções é um caminho para aprimorar sistemas computacionais que tentam discernir diferentes faces e sons.

In last Wednesday’s colloquium, researcher Roberto Andrade, from the Universidade Federal da Bahia, talked about his latest works involving complex networks for the study of evolution. Andrade and his group propose a new method for organizing species and their evolution, traditionally done through phylogenetic trees based on morphology and molecular characteristics.

“Our proposal is to classify organisms based on similarities of components involved in the synthesis of basic molecules”, says Andrade. “In our work, we studied fungi based on chitin. Then, in a more ambitious project, we studied the evolutionary origins of the mitochondria”.

The researcher explains that many organisms have their own set of enzymes to obtain a molecule that is found in many different species. Therefore, by studying differences between cell machinery, it’s possible to classify organisms by their genetic proximity.

This situation happens, for instance, with chitin – a molecule that is the main component of fungal cell wall. Different species, however, obtain chitin through different processes. Andrade and his group used the NCBI (National Center for Biotechnology Information) database to compare the molecular mechanisms of various species.

“The classification we reached coincided 100% with other phylogenetic trees”, says Andrade. “However, the method we used to obtain the final classification is faster”.

Origins of the mitochondria

“After this work, we got more ambitious”, says Andrade. “We started working on a project to discover the evolutionary origins of the mitochondria”.

Although many theories attempt to explain the evolution of the mitochondria, the issue still intrigues scientists. For those unfamiliar with biology, mitochondria is an organelle that has its own DNA. Some hypothesis, such as Endosymbiotic Theory, proposes that mitochondria originated when a prokaryotic organism (which has no cell nucleus) started living in symbiosis with a eukaryotic cell (which has cell nucleus).

In the left, complex networks shows the proximity of different groups; in the right, the resulting phylogenetic tree

This time, the study was based on the ATP synthesis process – this molecule is considered a cellular fuel, since cells obtain energy by breaking it. Andrade and his group compared the molecular structures that lead to ATP synthesis in bacteria and in mitochondria, to find out which bacteria were most genetically close to the organelle.

“Our main result was that  Rickettsiales bacteria are not closely related to mitochondria”, says Andrade. “The work indicated that Rhodobacterales, Rhizobiales and Rhodospirillales are groups closer  to the organelle”.

The work was published this year in PLOS and can be found here.

No colóquio da última quarta-feira, o pesquisador Roberto Andrade, da Universidade Federal da Bahia, falou sobre seus trabalhos mais recentes envolvendo redes complexas para o estudo da evolução. Andrade e seu grupo propõem um novo método para a organização de seres vivos e de sua evolução, tradicionalmente feita através de árvores filogenéticas baseadas em morfologia e características moleculares.

“Nossa proposta é classificar organismos com base em similaridades de componentes envolvidos na síntese de moléculas básicas”, diz Andrade. “Em um trabalho, estudamos fungos baseados em quitina. Depois, em um projeto mais ambicioso, tentamos estudar a origem evolucionária das mitocôndrias”.

O pesquisador explica que muitos organismos possuem seu próprio “conjunto” de enzimas para obter uma molécula que é encontrada em várias espécies diferentes. Por conta disso, é possível classificar a proximidade genética entre elas ao estudar as diferenças entre suas maquinarias celulares.

Exemplo dessa situação ocorre com a quitina – a molécula é o principal componente da parede celular de fungos. Diferentes espécies, porém, obtêm a quitina através de processos distintos. Andrade e seu grupo utilizou como base os dados do NCBI (National Center for Biotechnology Information) e comparou os mecanismos moleculares de diversas espécies.

“A classificação à qual chegamos coincidiu completamente com as de árvores filogenéticas anteriores”, diz Andrade. “A diferença é que o método que usamos é mais rápido para se obter a classificação final”.

Origens da mitocôndria

“Depois desse trabalho, ficamos mais ambiciosos”, conta Andrade. “Começamos um trabalho para tentar descobrir a origem evolutiva da mitocôndria”.

Apesar de muitas teorias tentarem explicar a evolução da mitocôndria, a questão ainda intriga cientistas. Para quem não está familiarizado com biologia, a mitocôndria é uma organela que possui seu próprio DNA. Algumas hipóteses, como a Teoria Endossimbiótica, propõem que a mitocôndria teve sua origem a partir de um organismo procarionte (que não tem núcleo celular) que viveu em simbiose com uma célula eucarionte (que tem núcleo celular).

À esquerda, redes complexas mostram a proximidade entre diferentes grupos; à direita, a árvore filogenética resultante

O estudo, dessa vez, foi baseado no processo de síntese de ATP – molécula que é uma espécie de combustível celular, pois sua quebra fornece energia para as células. Andrade e seu grupo comparou as estruturas moleculares que levam à síntese de ATP em bactérias e em mitocôndrias, para tentar descobrir qual bactéria estava mais geneticamente próxima da organela.

“Nosso principal resultado foi que bactérias da ordem Rickettsiales não tem relação próxima com mitocôndrias”, diz Andrade. “O trabalho indicou que Rhodobacterales, Rhizobiales e Rhodospirillales são grupos mais próximos da organela”.

O trabalho foi publicado esse ano na revista científica PLOS e pode ser visto aqui.

In the second week of the School on Complex Networks and Neuroscience, the lectures of Jesús Gómez-Gardeñes discussed how Game Theory ideas can help in studies of biology and evolution. His research focus especially on the mechanisms related to cooperation and imitation behavior in human populations.

Game Theory

Game Theory ideas have applications in several areas, from economics to biology. The main purpose of the area is to find the best strategy, or alternative, when we face a problem in nature or society.

“With Game Theory we can “mathematize” conflicts and dilemmas, which allows us to calculate the best solution for them”, says Gardeñes.

A classic example of the area is the “Prisoner’s Dilemma”.

One way to solve problems like this one is to calculate the Nash Equilibrium for the situation – the result will show what strategy is the best one. In the Prisoner’s Dilemma case, telling on your friend is the best option.

Evolution

Game Theory can be applied in studies of biology and evolution. One of the first works in the area, “The logic of animal conflict,” was written by John Maynard Smith and George Price in 1973 and published in Nature. In the article, the researchers imagine a situation where two species, like hawks and doves, compete for the same resource.

In this simplified case, imagine that when a dove competes with another dove for food, they share the resource. When a hawk competes with a dove, the hawk gets the resource. And when two hawks compete for food, they will fight – their final result will be the resource minus the damage they take in the conflict. So, what species would be favored by evolution?

“Game Theory can show how different strategies adopted by different species have different success rates”, explains Gardeñes. “So the process of natural selection will favor animals that adopt the strategy that provides the best results”.

In the example between hawks and doves, if the damage caused by the conflict between hawks is large, the dynamic tends toward an equilibrium, suggesting that the two species can coexist. When there are many hawks, the chances of two animals of this species meeting and fighting is high, favoring doves. When there are many doves, hawks are favored as they will have a good chance of winning the resource. In Game Theory, hawks and doves can represent different types of animals or different types of behavior of individuals of the same species.

Cooperation

According to Game Theory ideas, in most situations cooperation is not a strategy that would succeed in nature. Therefore, several studies try to understand how cooperation emerged, evolved and managed to survive in a great variety of communities. Some hypotheses say that this strategy favors the preservation of genes, as there is the possibility of increasing the chances of survival of your family members if you cooperate with them. In other communities, individuals that don’t cooperate might be punished.

“In my research, I try to understand cooperation in human populations”, says Gardeñes. “Through studies of complex networks, we can better understand how people relate to each other”.

Gardeñes points out that humans are different from animals, as they can change strategy at any time. While a dove can’t choose to behave like a hawk, we can change our behavior. One of the reasons that make us change our strategy is by observation: when we see someone else adopt a different strategy from our own and be successful, we can choose to imitate him.

“My work also aims to understand the mechanisms of imitation strategies in humans,” says Gardeñes. “Our objective is to create simulations that are as close to reality as possible. One of the ways of doing this is to add multiple networks to the system: related to work, friendships, family and so on”.

Na segunda semana da Escola em Redes Complexas e Neurociência, as palestras de Jesús-Gómez Gardeñes mostraram como ideias de Teoria de Jogos podem ajudar em estudos de biologia e evolução. Suas pesquisas tentam compreender, principalmente, os mecanismos relacionados à cooperação e comportamentos de imitação em populações humanas.

Teoria de Jogos

As ideias de Teoria de Jogos têm aplicações em diversas áreas, de economia à biologia. O principal objetivo ao se usar essas ideias é descobrir qual a melhor estratégia, ou alternativa, quando nos deparamos com um problema na natureza ou na sociedade.

“Com a Teoria de Jogos podemos “matematizar” conflitos e dilemas, o que nos permite calcular a melhor solução para eles”, diz Gardeñes.

Um exemplo clássico da área é o “Dilema do Prisioneiro”.

Uma das formas de resolver problemas como esse é calcular o Equilíbrio de Nash para a situação – ele mostrará qual a melhor estratégia a ser adotada. No caso do Dilema do Prisioneiro, dedurar o colega é a melhor opção.

Evolução             

A Teoria de Jogos pode ser aplicada aos estudos de biologia e evolução. Um dos primeiros trabalhos na área, “A lógica de conflitos animais”, foi escrito por John Maynard Smith e George Price, em 1973, e publicado na revista Nature. No artigo, os pesquisadores imaginam uma situação onde duas espécies, como gaviões e pombos, competem por um mesmo recurso.

Nesse caso simplificado, imagina-se que quando um pombo disputa comida com outro pombo, os animais dividem o recurso entre si. Quando um gavião encontra um pombo, o gavião fica com o recurso. E quando dois gaviões se encontram, eles competem pela comida: o ganho deles será o recurso menos o dano causado pela briga entre ambos. Nesse caso, qual espécie seria favorecida pela evolução?

“A Teoria de Jogos pode mostrar como diferentes estratégias, adotadas por diferentes espécies, têm taxas de sucesso diferentes”, explica Gardeñes. “Assim, o processo de seleção natural irá favorecer os animais que adotam a estratégia que apresenta os melhores resultados”.

No exemplo entre gaviões e pombos, se o dano causado pela briga entre gaviões é grande, a dinâmica tende para um equilíbrio, mostrando que as duas espécies podem coexistir. Quando há muitos gaviões, as chances de dois animais dessa espécie se encontrarem e brigar é alta, favorecendo pombos. Quando há muitos pombos, os gaviões são os favorecidos, pois terão grandes chances de ganhar o recurso. Na Teoria de Jogos, gaviões e pombos podem representar animais diferentes ou tipos de comportamentos de indivíduos de uma mesma espécie.

Cooperação

De acordo com ideias de Teoria de Jogos, na maioria das situações a cooperação não é uma estratégia que teria sucesso na natureza. Por isso, diversas pesquisas tentam entender como a cooperação surgiu, evoluiu e conseguiu se manter em uma grande variedade de comunidades de seres vivos. Algumas hipóteses dizem que essa estratégia favorece a preservação dos genes, pois há a possibilidade de aumentar as chances de sobrevivência de membros da sua família ao cooperar com eles. Em outras comunidades, quem não coopera pode ser punido.

“Em minhas pesquisas, tento entender como a cooperação ocorre em populações humanas”, diz Gardeñes. “Por meio de estudos com redes complexas, podemos compreender melhor como pessoas se relacionam”.

Gardeñes ressalta que estudar humanos é diferente de estudar animais pelo fato de que nós podemos mudar de estratégia a qualquer momento. Enquanto um pombo não pode escolher se comportar como um gavião, nós podemos mudar nosso comportamento. Um dos motivos que nos fazem mudar de estratégia é pela observação de outros indivíduos: quando vemos outra pessoa adotar uma estratégia diferente da nossa e ser bem-sucedido, podemos escolher imitá-lo.

“Meu trabalho também busca entender como funcionam os mecanismos e as estratégias de imitação em seres humanos”, diz Gardeñes. ”O objetivo com esses estudos é criar simulações que se aproximem o máximo possível da realidade. Um dos jeitos de se fazer isso é adicionar múltiplas redes: relacionadas a trabalho, amizades, família e etc”.