Talento

Ila Fiete estuda como o cérebro realiza cálculos complexos
A professora do MIT adota uma abordagem matemática para explorar a memória, a navegação e outras funções neurais.
Por Anne Trafton - 28/07/2020


Ila Fiete, professora associada de ciências cerebrais e cognitivas do MIT, usa técnicas computacionais e matemáticas para estudar como o cérebro codifica informações de maneiras que possibilitam tarefas cognitivas, como aprendizado, memória e representação neural do ambiente.
Foto: Adam Glanzman

Enquanto fazia um pós-doutorado há cerca de 15 anos, Ila Fiete começou a procurar empregos na faculdade em neurociência computacional - um campo que usa ferramentas matemáticas para investigar a função cerebral. No entanto, não havia posições anunciadas em neurociência teórica ou computacional na época nos Estados Unidos.

"Não era realmente um campo", lembra ela. "Isso mudou completamente, e agora existem 15 a 20 vagas anunciadas por ano." Ela acabou encontrando uma posição no Centro de Aprendizagem e Memória da Universidade do Texas em Austin, que, juntamente com um pequeno punhado de universidades, incluindo o MIT, estava aberta a neurobiologistas com formação em computação.

A computação é a pedra angular da pesquisa de Fiete no Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro do MIT, onde atua como membro do corpo docente desde 2018. Usando técnicas computacionais e matemáticas, ela estuda como o cérebro codifica as informações de maneira a permitir tarefas cognitivas, como aprendizado, memória, e raciocínio sobre o que nos rodeia.

Uma área importante de pesquisa no laboratório de Fiete é como o cérebro é capaz de calcular continuamente a posição do corpo no espaço e fazer ajustes constantes nessa estimativa à medida que avançamos. 

"Quando andamos pelo mundo, podemos fechar os olhos e ainda ter uma boa estimativa de onde estamos", diz ela. “Isso envolve poder atualizar nossa estimativa com base em nosso senso de auto-movimento. Também existem muitos cálculos no cérebro que envolvem a movimentação no espaço abstrato ou mental, em vez do físico, e a integração de sinais de velocidade de uma variedade ou outra. Algumas das mesmas ideias e até circuitos de navegação espacial podem estar envolvidos na navegação por esses espaços mentais. ”

Não há melhor ajuste

Fiete passou a infância entre Mumbai, Índia e Estados Unidos, onde seu pai matemático realizou uma série de consultas permanentes ou visitadas no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, na Universidade da Califórnia em Berkeley e na Universidade de Michigan em Ann Arbor.

"Como é possível reutilizar os mesmos circuitos e usá-los com flexibilidade para resolver muitos problemas diferentes, e quais são os códigos neurais que são propensos a esse tipo de reutilização?" ela diz. "Também estamos investigando os princípios que permitem ao cérebro conectar múltiplos circuitos para resolver novos problemas sem muita reconfiguração."


Na Índia, o pai de Fiete fez uma pesquisa no Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, e ela cresceu passando tempo com muitos outros filhos de acadêmicos. Ela sempre se interessou por biologia, mas também gostava de matemática, seguindo os passos de seu pai.

“Meu pai não era um pai prático, querendo me ensinar muita matemática, ou até me perguntando como estava indo meu trabalho escolar, mas a influência estava definitivamente aí. Há uma certa estética em pensar matematicamente, que absorvi indiretamente ”, diz ela. "Meus pais não me incentivaram a estudar, mas eu não pude deixar de ser influenciado pelo meio ambiente."

Ela passou os últimos dois anos do ensino médio em Ann Arbor e depois foi para a Universidade de Michigan, onde se formou em matemática e física. Enquanto estava lá, ela trabalhou em projetos de pesquisa de graduação, incluindo duas passagens de verão na Universidade de Indiana e na Universidade da Virgínia, o que lhe deu uma experiência em primeira mão na pesquisa em física. Esses projetos cobriram uma variedade de tópicos, incluindo terapia com radiação de prótons, propriedades magnéticas de materiais monocristalinos e física de baixa temperatura.

"Essas três experiências foram o que realmente me fez ter certeza de que queria ingressar na academia", diz Fiete. “Definitivamente parecia o caminho que eu conhecia melhor, e acho que também se adequou ao meu temperamento. Mesmo agora, com mais exposição a outros campos, não consigo pensar em um ajuste melhor. ”

Embora ainda estivesse interessada em biologia, fez apenas um curso na disciplina na faculdade, atrasando-se porque não sabia como casar abordagens quantitativas com ciências biológicas. Ela começou seus estudos de pós-graduação na Universidade de Harvard, planejando estudar física em baixas temperaturas, mas enquanto estava lá, decidiu começar a explorar aulas quantitativas de biologia. Um deles foi um curso de biologia de sistemas ministrado pelo então professor do MIT Sebastian Seung, que transformou sua trajetória profissional.

"Foi realmente inspirador", lembra ela. “Pensar matematicamente sobre sistemas de interação em biologia foi realmente emocionante. Foi realmente a minha primeira introdução à biologia de sistemas e me fisgou imediatamente. ”

Ela acabou fazendo a maior parte de sua pesquisa de doutorado no laboratório de Seung no MIT, onde estudou como o cérebro usa sinais de entrada da velocidade do movimento da cabeça para controlar a posição dos olhos. Por exemplo, se queremos manter o olhar fixo em um local específico enquanto a cabeça está em movimento, o cérebro deve calcular e ajustar continuamente a quantidade de tensão necessária nos músculos que circundam os olhos, para compensar o movimento da cabeça.

Células "bizarras"

Depois de obter seu doutorado, Fiete e seu marido, físico teórico, foram para o Instituto Kavli de Física Teórica na Universidade da Califórnia em Santa Barbara, onde cada um realizou bolsas de pesquisa independente. Enquanto estava lá, Fiete começou a trabalhar em um tópico de pesquisa que ainda hoje estuda - células de grade. Essas células, localizadas no córtex entorrinal do cérebro, nos permitem navegar em nosso entorno, ajudando o cérebro a criar uma representação neural do espaço.

No meio de sua posição lá, ela descobriu uma nova descoberta: quando um rato se move através de uma sala aberta, uma célula de grade em seu cérebro dispara em muitos locais diferentes, dispostos geometricamente em um padrão regular de triângulos repetidos. Juntas, uma população de células da grade forma uma treliça de triângulos representando a sala inteira. Essas células também foram encontradas no cérebro de vários outros mamíferos, incluindo humanos.

"É incrível. É essa resposta muito cristalina ”, diz Fiete. “Quando li sobre isso, caí da cadeira. Naquele momento, eu sabia que isso era algo bizarro que geraria tantas perguntas sobre desenvolvimento, função e circuitos cerebrais que poderiam ser estudados computacionalmente. ”

Uma pergunta que Fiete e outros investigaram é por que o cérebro precisa de células da grade, uma vez que também possui as chamadas células de lugar que cada uma dispara em um local específico do ambiente. Uma possível explicação que Fiete explorou é que células de grade de diferentes escalas, trabalhando juntas, podem representar um vasto número de posições possíveis no espaço e também múltiplas dimensões do espaço.

"Se você tem algumas células que podem gerar parcimoniosamente um espaço de codificação muito grande, pode se dar ao luxo de não usar a maior parte desse espaço de codificação", diz ela. "Você pode desperdiçar a maior parte, o que significa que você pode separar as coisas muito bem; nesse caso, não se torna tão suscetível ao ruído".

Desde que voltou ao MIT, ela também buscou um tema de pesquisa relacionado ao que ela explorou em sua tese de doutorado - como o cérebro mantém representações neurais de onde a cabeça está localizada no espaço. Em um artigo publicado no ano passado , ela descobriu que o cérebro gera um anel unidimensional de atividade neural que age como uma bússola, permitindo que o cérebro calcule a direção atual da cabeça em relação ao mundo externo.

Seu laboratório também estuda a flexibilidade cognitiva - a capacidade do cérebro de executar tantos tipos diferentes de tarefas cognitivas.

"Como é possível reutilizar os mesmos circuitos e usá-los com flexibilidade para resolver muitos problemas diferentes, e quais são os códigos neurais que são propensos a esse tipo de reutilização?" ela diz. "Também estamos investigando os princípios que permitem ao cérebro conectar múltiplos circuitos para resolver novos problemas sem muita reconfiguração."

 

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