Introdução à Neurociência Computacional

Introdução à Neurociência Computacional Antonio C. Roque USP, Ribeirão Preto, SP Apresentação Alerta:
Se o cérebro fosse suficientemente
simples para que nós o entendêssemos,
nós seríamos simples demais para
entendê-lo
Neurociência: ciência nova e em rápido crescimento •  Descoberta do neurônio: Ramon y Cajal (1889) •  Conceito de sinapse: Sherrington (1897) •  Cunhagem do termo neuroscience (MIT, 1962) •  1º congresso da Society for Neuroscience (SfN): 1971 (1100 parVcipantes) •  44º congresso da SfN: 2014 (~35 mil parVcipantes)
Comentário •  O estudo do cérebro e do sistema nervoso é muito anterior à década de 1960 (h]ps://en.wikipedia.org/wiki/History_of_neuroscience) •  O aparecimento do termo “neurociência” na década de 1960 foi para indicar a necessidade de se criar uma nova ciência interdisciplinar envolvendo conhecimento, técnicas e pesquisadores das ciências esico-­‐matemáVcas, médico-­‐biológicas e comportamentais Neurociência: ciência complexa •  O cérebro é composto por 80 bilhões de neurônios interconectados por trilhões de sinapses. Neurociência: n
íveis d
e o
rganização Spatial scales of the brain
⇠10cm
Whole brain
⇠1cm
Brain structure/cortical areas
100µm- 1mm
Local network/‘column’/‘module’
10µm- 1mm
Neuron
100nm- 1µm
Sub-cellular compartments
⇠10nm
Channel, receptor, intracellular protein
!
!
Neurociência: muitos dados, pouca compreensão Tipos de dados: •  Anatômicos: forma das células, conexões •  Fisiológicos: propriedades bioelétricas •  Bioquímicos: processos moleculares •  Psicológicos: comportamento •  Técnicas recentes: biologia molecular, imagens, modelagem matemá3ca e simulação computacional Método Cienofico (1) •  Realização de observações e experimentos, controlados e reproduoveis Método Cienofico (2) •  Criação de modelos para descrever e explicar os fenômenos observados Método Cienofico (3) •  Os modelos são expressos em linguagem matemá3ca Método Cienofico (4) •  Os modelos são usados para se fazer previsões de novos fenômenos que, por sua vez, são testados experimentalmente. Método Cienofico (5) • O aparecimento do computador revolucionou o método cienofico, permiVndo a simulação de sistemas complexos e experimentos in silico Modelos •  Simplificações deliberadas dos fenômenos •  Entendimento intui3vo dos processos •  Relacionam as hipóteses feitas com os resultados observados experimentalmente •  Devem ser capazes de explicar novos fenômenos: robustez A modelagem é uma arte Neurociência Computacional •  O termo aparece pela primeira vez em 1985 como nome de uma conferência organizada na Califórnia •  Proposta: a abordagem teórica da neurociência deve procurar entender as computações feitas pelo cérebro Computações Cerebrais •  O cérebro produz representações de coisas externas a ele, geradas a parVr de entradas mediadas pelos órgãos dos senVdos, e processa essas representações produzindo estados internos que correspondem a comportamentos ou os geram Cérebro vs. Computador •  O cérebro é robusto e tolerante a falhas: neurônios
morrem todos os dias sem que isso afete
significativamente o seu desempenho
•  O cérebro é flexível, adaptável, plástico. Ele pode
se ajustar a uma nova situação ou condição
aprendendo a partir de novos exemplos
•  O cérebro pode lidar com informações corrompidas
ou perturbadas por ruído
•  O cérebro processa informação de forma altamente
paralela e distribuída
•  O cérebro é pequeno, compacto e dissipa muito
pouca potência