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Profissão

‘Pego ferramentas da física e aplico em neurônios no cérebro’

Foto: Ivan Copelli/Divulgação

Mauro Copelli, da Universidade Federal de Pernambuco, é um físico teórico que acabou indo botar as mãos em cérebros, para ajudar os biólogos a solucionar o mistério da consciência

Quando resolveu virar um físico teórico, Mauro Copelli jamais imaginou que acabaria passando parte dos seus dias num laboratório cheio de camundongos, de olho nos seus cérebros. Professor da UFPE (Universidade Federal de Pernambuco), Copelli começou a carreira focado apenas em cálculos e modelos teóricos, em universidades de ponta da Bélgica e da Califórnia. Lá, descobriu que suas ferramentas de físico poderiam ser úteis para os biólogos que quebravam a cabeça para desvendar o objeto mais complexo do mundo: o cérebro. Mais especificamente: para ajudar a descobrir como esse órgão produz a consciência.

Aos 48 anos, Mauro não tem expectativas de que vá ver o mistério inteiramente solucionado, mas satisfaz-se em “colocar alguns tijolinhos no edifício da compreensão” dele. Encontrei com ele em sua salinha, decorada com uma lousa cheia de cálculos indecifráveis para mim e de desenhos de seus filhos, de 13 e 10 anos. Lá conversamos sobre a empolgação de fazer parte de uma área multidisciplinar, cheia de perguntas em aberto, e também sobre a frustração de fazer isso no Brasil, diante das incertezas quanto ao financiamento e da falta de valor que se dá à ciência.

Cientistas do Brasil

Quem: Mauro Copelli, 48 anosO quê: físico que se meteu na neurociênciaOnde: no departamento de física da UFPE, em RecifeComo: fazendo cálculos no papel e no computador e colaborando com biólogos que abrem cérebros de camundongos

Esta entrevista é a oitava da série do NexoCientistas do Brasil que você precisa conhecer, ontem e hoje”. O projeto tem duas frentes: uma traz 12 vídeos com a minibiografia de pesquisadores que marcaram a história. A outra traz 12 entrevistas em texto na seção “Profissões” – conversas conduzidas pelo jornalista Denis R. Burgierman com cientistas brasileiros em atuação hoje no mundo. São pesquisadores de áreas como ciências da vida, geociências, física, química, ciência da computação e matemática, que vêm tendo o reconhecimento de seus pares e trabalham em linhas de atuação promissoras. O projeto tem o apoio do Instituto Serrapilheira.

O que você está tentando descobrir na sua carreira? Qual é sua pergunta na ciência?

Mauro Copelli Minha pergunta é “o que é a consciência?”. Mas eu faço essa pergunta sabendo que ela é muito difícil de responder e pressentindo que ela não estará ao meu alcance, não nesta vida. O objetivo então é tentar colocar alguns tijolinhos no edifício da compreensão dela. O que quer que venha a ser a consciência, ela envolve um fenômeno coletivo de neurônios – ninguém acha que vai encontrar “o neurônio da consciência” em alguma região do cérebro. E isso, de uma certa maneira, joga a bola para os físicos, porque entender fenômenos coletivos é algo que a física tem feito há pelo menos cem anos.

Você, como físico, pode não entender muito de neurônios, mas entende de fenômenos coletivos…

Mauro Copelli Exatamente. Fenômenos coletivos de coisas muito mais simples que neurônios – átomos, partículas. Por exemplo, um átomo de ferro tem um momento magnético. Mas, se você juntar muitos átomos de ferro, e formar um cristal, na temperatura certa, os vários momentos magnéticos dos átomos vão se alinhar e gerar um ímã. Se você aumentar a temperatura, aumenta a agitação térmica e o magnetismo desaparece. O ímã cai da geladeira. Essa mudança de comportamento de um fenômeno coletivo é um dos playgrounds dos físicos. O que eu faço é pegar algumas das ferramentas da física e aplicar em neurônios no cérebro, que também são muitos.

Você então está tentando entender quando é que essa junção de vários neurônios individuais resulta em consciência?

Mauro Copelli Bom, isso é o que eu sonharia fazer, se eu tivesse várias vidas. Como não tenho, minhas ambições são mais modestas. Estou me contentando em fazer duas coisas. Primeiro, de um ponto de vista mais teórico, pego modelos simples de neurônios, respeitando o conhecimento que vem da biologia sobre como eles se acoplam, para tentar entender o que pode acontecer coletivamente com eles. De outro lado, tento olhar para dados, que não vêm de modelo nenhum, mas de experimentos em laboratórios, com cérebros de verdade, para ver se consigo entender o que está acontecendo, usando os conceitos da física. Um tema central que tem norteado grande parte do meu trabalho é a hipótese do cérebro crítico. Essa hipótese sugere que o cérebro esteja numa transição de fase. Para usar de novo o exemplo do ferro e do ímã, transição de fase é o que acontece quando você aquece o cristal e, numa certa temperatura, que chamamos de “temperatura crítica”, o ímã deixa de ser ímã. Os físicos sempre foram muito fascinados por pontos críticos, porque eles têm propriedades muito peculiares.

Ponto crítico é o momento exato em que a transição de fase acontece?

Mauro Copelli Exatamente. Nesse ponto, você está na transição entre algum tipo de ordem e algum tipo de desordem. As flutuações do sistema são muito grandes, porque está surgindo uma ordem, mas ela ainda não está formada. Há perturbações muito grandes, que os físicos, ao longo das décadas, aprenderam a interpretar como assinaturas de uma transição de fase. A hipótese do cérebro crítico, que já tem algumas décadas, diz que o cérebro opera próximo a essa transição. Porque, se você tem uma bagunça total, é difícil acreditar que algo como o cérebro possa funcionar. Da mesma forma, a ordem total é algo rígido, o que também não é muito bom para um cérebro. O ponto crítico é algo no meio do caminho, nem totalmente rígido, nem totalmente caótico, com uma riqueza dinâmica maximizada. Há modelos teóricos baseados nessa hipótese.

Modelos teóricos são modelos que você programa no computador?

Mauro Copelli No computador ou no papel, com cálculo. Quando você calcula esse modelo, você percebe que várias coisas interessantes são otimizadas no ponto crítico: processamento de informação, armazenamento. No trabalho que publiquei com o [físico da USP de Ribeirão Preto] Osame Kinouchi treze anos atrás, verificamos teoricamente que o processamento de estímulos externos é maximizado no ponto crítico. Em 2003, um pessoal lá nos Estados Unidos [John Beggs e Dietmar Plenz, do Instituto Nacional de Saúde Mental] publicou resultados experimentais – e não mais conjecturas – mostrando que, em fatias de cérebro, você consegue obter assinaturas estatísticas compatíveis com essas ideias. Isso impulsionou a área. Por um lado, os neurocientistas começaram a procurar mais resultados e, por outro, os teóricos começaram a aperfeiçoar os modelos.

Você então é um físico teórico que está construindo modelos no computador e no papel, mas que está também colaborando com biólogos, que colocam eletrodos em cérebros de bichos, para confirmar ou não os modelos?

Mauro Copelli Exatamente. Começamos com os modelos, lá por 2002. Em 2006, a gente publicou esse trabalho que fazia a previsão teórica de que, no ponto crítico, a resposta seria maximizada. Em 2009, eu consegui provocar o grupo dos Estados Unidos que tinha feito o trabalho de 2003 para ver se eles reproduziam os resultados que a gente previa. Queria saber se eles conseguiam estimular a fatia de cérebro deles para ver se ela reproduzia otimamente no ponto crítico. Três anos depois, eles fizeram o experimento, publicaram, e deu certo. Foi a primeira vez na minha vida que fiz um modelo teórico, algum cientista experimental resolveu prestar atenção, incluir na agenda e experimentar.

E confirmar.

Mauro Copelli E confirmar, sim. Eu fiquei feliz durante um ano [risos]. Em paralelo a isso, começou a se estabelecer o Instituto do Cérebro, em Natal, na UFRN [Universidade Federal do Rio Grande do Norte], e eu comecei uma colaboração que dura até hoje com o [neurocientista] Sidarta Ribeiro, que já há muito tempo tinha dados experimentais registrados de ratos acordados, anestesiados, dormindo, sonhando, explorando. Nós nos conhecemos, ele me mandou um DVD com dados e falou “olha, você tem essa teoria aí. Estão aqui os dados de verdade: mostra a criticalidade aí, que eu quero ver”.

E você então foi procurar transições de fase entre esses diversos estados de consciência de ratinhos?

Mauro Copelli É. Lembro que ofereci os dados, de ratos de verdade, numa reunião do meu grupo, com todos os meus alunos de iniciação científica, mestrado, doutorado, todos teóricos acostumados a fazer modelos, como eu. Perguntei “quem topa?”. Todo mundo deu um passo para trás, e um aluno deu um passo para a frente, o Tiago Ribeiro, que estava começando o mestrado. E isso foi o mestrado dele, acabou virando o doutorado também. Ele colaborou com várias pessoas, levou muito, muito tempo até a gente conseguir extrair algumas assinaturas de criticalidade desses dados. Isso virou um trabalho muito bonito, publicado só em 2010, que é bastante citado até hoje.

Mas que não é conclusivo?

Mauro Copelli Que não é conclusivo. Ele oferece assinaturas muito interessantes, muito novas na época, e também um monte de paradoxos: assinaturas que funcionam num estado e em outro não. Então ele cria um monte de problemas para a área.

Revelou um cenário muito mais complexo do que os modelos podiam prever…

Mauro Copelli É um paper no qual quase todos os modelos falham. A gente praticamente nem tentou fazer modelo, porque a encrenca era grande demais. E tudo bem. Para mim foi uma experiência nova. Foi difícil abrir mão da sensação de controle de ter um modelo, mas no fim foi muito prazeroso também, porque a gente constatou que ia ter trabalho para o resto da vida.

Esses dados dos quais você está falando… Algum biólogo levou camundongos a um laboratório, abriu seus cérebros com um bisturi, colocou um eletrodo lá dentro e ficou medindo tudo o que acontecia enquanto os ratinhos viajavam entre vigília, sono, sonho, anestesia. É isso?

Mauro Copelli Exatamente. Mais especificamente, é uma técnica de registro pela qual você coloca não um eletrodo, mas uma matriz – na época eram 32 eletrodos, hoje são quase 1.000. Então você mede simultaneamente a atividade elétrica de muitos neurônios, e esse é o único jeito de olhar fenômenos coletivos.

E, para isso, os biólogos precisavam de suas ferramentas de físico?

Mauro Copelli Os biólogos são cientistas incríveis e o edifício da ciência é muito grande. Alguém precisa ir lá entender um único neurônio em muito detalhe. Tem biólogo que faz isso: estuda cada proteína, olha de perto o canal iônico, os mecanismos genéticos. Eu venho da tradição da física estatística, que fez um serviço importante no século 20, de simplificar. Se eu tenho dois modelos para explicar um fenômeno, o mais simples ganha. O que nós fazemos é jogar fora muitos dos detalhes que os biólogos observam e ver se o modelo faz o que o c��rebro faz. Se não funcionar, buscamos os estudos da biologia e acrescentamos um ingredientezinho a mais, para ver se funciona agora. Assim, vamos montando de baixo para cima. O diálogo com os biólogos é interessante, porque tem que se encontrar no meio do caminho. A física é uma ciência muito madura, tem 300 e poucos anos, e modelos extremamente sofisticados. O LHC [o maior colisor de partículas do mundo, localizado na fronteira entre a Suíça e a França] foi construído para encontrar furos no modelo teórico que os físicos fizeram, e ele não consegue encontrar quase nenhum. A neurociência é muito mais nova. O conceito de neurônio é do século 20. Gosto de comparar a física com um campo de golfe, todo liso, conhecido, previsível. E a neurociência é como entrar numa mata fechada onde ninguém nunca foi antes com uma faquinha. Onde você mexer, tem uma chance de descobrir uma coisa nova. É muito verde ainda, e isso é lindo, é incrível.

E é por isso que você resolveu que seria importante construir um laboratório para fazer experimentos com animais aqui num departamento de física?

Mauro Copelli Isso. Depois da colaboração com o Sidarta, me dei conta de que seria muito interessante se eu pudesse fazer os experimentos, ou ter alguém junto de mim que os fizesse. Consegui convencer o Pedro Carelli, um físico experimental que fazia neurociência fora do Brasil, a voltar. E juntos escrevemos alguns projetos para montar um laboratório aqui. Hoje esse laboratório está funcionando, fazendo esses registros de multi-eletrodos em ratos. Treinamos estudantes de física para fazer cirurgia. Agora a gente consegue fechar um ciclo importante de retroalimentação. Temos teorias, testamos no laboratório, que por sua vez tem experimentos próprios que requerem teoria.

Como começou essa busca para você? Esse interesse em consciência é antigo?

Mauro Copelli Acho que sim. Sempre fui fascinado por animais, desde criancinha. Sempre me impressionou ir ao zoológico e olhar no olho do macaco. Claro que tem algo naquele olhar que tem a ver com a gente. Mas nunca me ocorreu fazer biologia. Eu também tinha fascínio por computador: eu tinha um TK-82c [computador rudimentar lançado em 1981], que aprendi a programar com meu pai com 11 anos de idade. Meu pai e minha mãe eram físicos, então acho que não consegui escapar de virar físico também – fui estudar na USP. No final da graduação, em 1992, fui fazer mestrado e saí procurando professores no Instituto de Física da USP. Bati na porta do Nestor Caticha, que trabalhava com redes neurais artificiais, que são modelos muito básicos de aprendizagem. E ele jogou um canto da sereia que me conquistou na hora. Ele falou de como os modelos mostravam que animais que sonham são capazes de aprender mais. Eu falei “o quê?”. É possível eu, como físico, fazer conta e relacionar com o cérebro de um bicho, com sonho, com aprendizagem? Fui trabalhar com ele, foi fantástico, embora eu não tenha trabalhado com sonho nenhum, com animal nenhum, foi um trabalho completamente teórico. A gente fazia algoritmos de aprendizado de rede neurais artificiais.

Modelos inspirados no cérebro?

Mauro Copelli Quase mais metáforas do que modelos, porque está longe de um cérebro verdadeiro. A gente criava uma rede professora e uma rede aluna, e fazia algoritmos para encontrar formas desta segunda aprender o que a primeira sabe. É muito interessante, e fiquei nessa área um tempão, até que ela meio que se esgotou para os físicos. Redes neurais artificiais existem até hoje, o Google ganha dinheiro com isso, “deep learning”. Mas a contribuição da física, que foi entender matematicamente algumas das coisas que eram observadas nesses algoritmos, foi acabando.

E aí entrar na neurociência é uma consequência natural?

Mauro Copelli É, tentei fugir durante um ano. Fui para a Bélgica em 1996 fazer meu doutorado em redes neurais artificiais, que já estavam em seu crepúsculo. Foi meio frustrante e, em 2000, fui para San Diego fazer um pós-doc em outras áreas. Mas San Diego é meio que a capital da neurociência na costa oeste americana. Encontrei lá um amigo do tempo da física da USP que trabalhava com isso, comecei a frequentar e fui sugado de novo. Voltei ao Brasil já fazendo neurociência de verdade, não mais a metáfora. Vim fazer outro pós-doc, na Universidade Federal Fluminense. Em 2002, passei num concurso e vim para cá, ser professor na UFPE.

E por que você resolveu voltar para o Brasil?

Mauro Copelli [Apoia o queixo na mão e pensa.] Porque eu sou um idiota [risos]. Ouvi falar de um estudo pelo qual os cientistas brasileiros têm uma das maiores taxas de retorno do mundo. Acho que a gente gosta que, de alguma maneira, a gente se preocupa com o Brasil. Achei que aqui eu poderia contribuir mais. A volta coincidiu com um período de melhora na ciência brasileira. Cheguei em 2002, houve pelo menos uma década de aumento gradativo do apoio à ciência, com o crescimento das universidades federais. E isso absorveu muita gente, o fomento aumentou, houve uma certa estabilização da pesquisa.

E como está agora?

Mauro Copelli Agora está em queda livre, sem paraquedas, sem a gente saber o que tem embaixo. O financiamento federal à pesquisa sofreu cortes como nunca tínhamos visto. Os estados que têm fundações estaduais fortes tentam se segurar, então, nesse sentido, Pernambuco é uma boa exceção, porque a Facepe [Fundação de Amparo a Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco] conseguiu se estruturar razoavelmente. De novo, meu negócio são fenômenos coletivos – e a ciência é uma empreitada coletiva. Meu laboratório está sobrevivendo, com financiamento da Facepe, além de um outro projeto de psiquiatria computacional [em colaboração com a UFRN, para encontrar formas de diagnosticar esquizofrenia com inteligência artificial], que nos rendeu um financiamento de uma farmacêutica multinacional alemã. Mas o ambiente em volta… Estamos vendo bolsas de pós-graduação sendo cortadas sem aviso prévio, causando pânico nos alunos, baixando o moral. O que sobra para sustentarmos nosso espírito é a dinâmica interna: o encontro com os colegas, um reconhece o trabalho duro do outro, um se compromete com o outro de não deixar a peteca cair. E é uma peteca dura de manter no ar, a da ciência brasileira. Tenho colegas aqui que estudam computação quântica, um conceito que veio dos físicos, e que vai provavelmente levar à próxima geração de computadores: precisamos de físicos para podermos fazer parte das próximas ondas tecnológicas. As universidades brasileiras mais antigas têm idades que se medem em décadas. Para comparar, a universidade no Peru tem vários séculos [a primeira foi fundada em 1551], para não falar das europeias, das americanas. Essa imaturidade institucional é ao mesmo tempo nossa grande tragédia e também nosso grande motivador, porque nos dá propósito. Universidades como Princeton, ou Oxford, não têm nada a aprender comigo em termos de como funcionar institucionalmente. Elas funcionam muito bem, há muito tempo. Na UFPE, eu posso contribuir.

Algum conselho para quem quer seguir seu caminho?

Mauro Copelli Se você gosta de biologia e de computação, como eu gostava desde criancinha, então faça física, porque você vai aprender computação e os problemas de biologia são atacáveis com técnicas da física.

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