USP terá cluster para simular funcionamento do córtex cerebral

Centro computacional de alta performance instalado pelo CEPID NeuroMat em Ribeirão Preto contribuirá para o avanço da compreensão sobre a interação de sistemas neuronais

Diego Freire | Agência FAPESP – O Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão em Neuromatemática (NeuroMat), um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP, deu início à montagem de um "supercomputador" que simulará o funcionamento do córtex cerebral, uma das partes mais importantes do sistema nervoso central.

O equipamento, chamado de High-Performance Computational Center (HPCC), utiliza o poder concentrado de processamento de um cluster, um conjunto de computadores que trabalham de forma coordenada, formando um supercomputador virtual.

Serão quatro nós – o nome dado aos computadores que formam um cluster – de alta velocidade, cada um contendo oito processadores com 10 núcleos. Para cada processador há uma memória de 16GB DDR4 e o sistema também tem um acelerador gráfico de alta tecnologia, essencial para permitir simulações numéricas rápidas e grandes – caso das tarefas que o HPCC desempenhará.

“O cluster será configurado para fazer processamento numérico e simular redes de neurônios, possibilitando o estudo de alterações na atividade dessas redes quando é aplicado um estímulo externo ou quando ocorre uma lesão ou perda de uma região do córtex, provocada por um acidente vascular cerebral (AVC), por exemplo. Trata-se de simulações de grande porte e o cluster estará preparado para isso”, explicou Antonio Carlos Roque da Silva Filho, da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) e um dos pesquisadores principais do NeuroMat.

De acordo com o pesquisador, a primeira meta do HPCC será gerar uma simulação válida do córtex, que é relacionado a funções importantes do cérebro, como memória, atenção, consciência, linguagem, percepção e pensamento.

“Simulações fornecem modelos em que se pode aplicar e testar hipóteses que ainda permanecem em um nível abstrato, de forma experimental”, disse.

A estrutura que está sendo concebida tem milhões de neurônios que interagem entre si organizados em uma arquitetura que captura os padrões de ligações neuronais do córtex, tanto verticalmente, com colunas de neurônios densamente interligados, como horizontalmente, com uma rede de colunas interligadas. Os elementos para compor as áreas locais e globais do modelo vêm de estudos de diversos pesquisadores, alguns ligados ao NeuroMat.

“Praticamente todas as funções superiores do cérebro dependem do córtex. Por isso é preciso conhecer bem a anatomia dessa região, a sua estrutura, as conexões entre os neurônios e que tipo de células estão inseridas nessa arquitetura. Os neurônios têm `personalidades´ diferentes e é preciso conhecer seus efeitos, compreendendo também como eles se combinam com os efeitos das conexões neuronais e da dinâmica das sinapses”, disse Roque.

Para cada um desses elementos do conjunto das redes neuronais – a arquitetura da rede, o tipo de célula e o modelo da sinapse – o NeuroMat tem equações que simulam o comportamento dos neurônios. Quando o modelo estiver consolidado, os pesquisadores estudarão os fenômenos de plasticidade sináptica, relacionada à capacidade do cérebro de se remodelar em função das experiências do indivíduo, reformulando as suas conexões de acordo com os fatores ambientais aos quais está submetido.

“Nós lidamos com perguntas ainda em aberto. A comunidade internacional não sabe dizer qual o papel da arquitetura da rede de neurônios sobre a função do cérebro e essa questão existe porque não se conhece ainda a arquitetura real do cérebro”, contou.

Cada coluna neuronal do modelo terá cerca de 80 mil neurônios interagindo. A estrutura simulada considerará ainda outros elementos conhecidos a partir de estudos experimentais em redes corticais, como a proporção de neurônios e as probabilidades de conexões entre células excitatórias e inibitórias em locais específicos.

Além disso, o HPCC será uma das primeiras tentativas de implementar em grande escala uma modelagem do córtex do tipo estocástica, que incorpora elementos probabilísticos, apresentando uma distribuição de soluções associadas a probabilidades.

“Essas simulações estocásticas podem lançar nova luz sobre o funcionamento do cérebro, tanto em condições normais como anormais, a exemplo de lesões cerebrais, o que poderia eventualmente levar a avanços na compreensão dos modos de funcionamento do córtex e o papel dos mecanismos de plasticidade.”

O HPCC do NeuroMat será o primeiro de dois "supercomputadores" do CEPID – um outro equipamento está sendo viabilizado com foco no armazenamento e gerenciamento de dados, dando suporte às pesquisas do NeuroMat.

O cluster será apresentado pela primeira vez à comunidade durante a VI Escola Latino-americana de Neurociência Computacional (Lascon), que será realizada de 3 a 29 de janeiro de 2016, na sede do CEPID NeuroMat, no campus da USP em São Paulo. A ideia é que pesquisadores e estudantes tenham contato com as funcionalidades do equipamento em aulas práticas.

Mais informações em www.sisne.org.