Phase transitions and nonlinear phenomena in neuronal network models

Communication and cooperation between billions of neurons underlie the power of the brain. How do complex functions of the brain arise from its cellular constituents? How do groups of neurons self-organize into patterns of activity? These are crucial questions in neuroscience. In order to answer them, it is necessary to have solid theoretical understanding of how single neurons communicate at the microscopic level, and how cooperative activity emerges. In this thesis we aim to understand how complex collective phenomena can arise in a simple model of neuronal networks. We use a model with balanced excitation and inhibition and complex network architecture, and we develop analytical and numerical methods for describing its neuronal dynamics. We study how interaction between neurons generates various collective phenomena, such as spontaneous appearance of network oscillations and seizures, and early warnings of these transitions in neuronal networks. Within our model, we show that phase transitions separate various dynamical regimes, and we investigate the corresponding bifurcations and critical phenomena. It permits us to suggest a qualitative explanation of the Berger effect, and to investigate phenomena such as avalanches, band-pass filter, and stochastic resonance. The role of modular structure in the detection of weak signals is also discussed. Moreover, we find nonlinear excitations that can describe paroxysmal spikes observed in electroencephalograms from epileptic brains. It allows us to propose a method to predict epileptic seizures. Memory and learning are key functions of the brain. There are evidences that these processes result from dynamical changes in the structure of the brain. At the microscopic level, synaptic connections are plastic and are modified according to the dynamics of neurons. Thus, we generalize our cortical model to take into account synaptic plasticity and we show that the repertoire of dynamical regimes becomes richer. In particular, we find mixed-mode oscillations and a chaotic regime in neuronal network dynamics.

Construção de instrumentos de avaliação da dislexia

Com este trabalho, pretendemos descrever a construção da Bateria de Avaliação da Dislexia de Desenvolvimento (BADD), caracterizá-la metricamente, apresentar e discutir os resultados. Este instrumento de avaliação da dislexia foi aplicado a 555 crianças portuguesas, com idades compreendidas entre os 7 e os 12 anos de idade. Analisamos os processos cognitivos implicados na aprendizagem da leitura e escrita e aqueles que se encontram afectados em crianças com dislexia de desenvolvimento, nomeadamente a consciência fonológica, memória fonológica de trabalho, leitura e velocidade, escrita sob ditado, cálculo matemático, compreensão de frases, memória de curto e longo prazo e sequências. Foram assim comparadas as pontuações totais de acertos por teste entre crianças normoléxicas e crianças disléxicas, no sentido de verificar em que testes estes se diferenciam e, neste sentido, constituir um conjunto de testes que permitam uma avaliação da dislexia de desenvolvimento. Através da análise dos resultados ao nível da consistência interna do instrumento, verificamos que esta bateria de testes apresenta uma consistência elevada, aumentando após a exclusão do item Teste de Velocidade de Leitura, tempo, que será considerado como item isolado e utilizado à parte da bateria. Outro dos objectivos deste estudo foi o de reforçar a hipótese originalmente colocada de que a performance dos disléxicos nestes testes seria claramente inferior à do grupo controlo, permitindo desta forma diferenciar os dois grupos. Neste sentido, podemos concluir que a validação de uma bateria nestes moldes vem reforçar a importância de testes psicométricos como um dos elementos de uma avaliação psicológica, tornando-se fundamental para uma avaliação atempada e coerente com o quadro teórico da dislexia de desenvolvimento.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Design normal: memória e invisibilidade dos objectos

As últimas décadas têm sido caracterizadas por uma crescente indefinição do design, que refletindo um dia-a-dia cada vez mais complexo, não pode mais ser encarado como actividade fechada no projecto e acabada no produto. O seu universo aumentou e dispersou-se em mercados menores, alargando o seu alcance e sua importância, transformando-o em termo quantitativo e inflacionário. A crescente atenção de que é alvo dramatizou a sua relação com o consumo, o ruído nas prateleiras e a superficialidade da generalização de uma perspectiva do projecto focada nos new media, validando uma abordagem narcisista e de dispensa do diálogo com a indústria, tornaram-no sinónimo de especial. Este trabalho procura confirmar e refletir sobre a existência de um universo de produtos concretos e abordagens que de forma consciente partilham esta noção do contexto actual, em primeiro lugar, sugerindo caminhos alternativos e reacções resultantes da prática e discurso. Em segundo lugar procura analisar se tal reacção pode ser considerada como um movimento. Partindo de uma revisão bibliográfica, e de uma reflexão sobre um universo de produtos do dia-a-dia, procura-se, em terceiro lugar, interpretar e organizar as diversas formas e estratégias de rejeição da noção de design especial. Da procura de abordagens opostas a especial resulta uma ideia base de normal, normal sem ser banal, expressa na exposição Super Normal. Da extensão a um universo maior de produtos, reacções e autores, resulta a ideia de normal como um conceito mais abrangente, mas composto por conceitos menores, mais específicos, mais concretos e fáceis de identificar nos objectos. A organização e interpretação dessas abordagens resulta num triângulo de conceitos que constroem a noção de normal pela procura da evolução por recurso à memória e ao conhecimento, da invisibilidade pela integração e diluição do produto e projecto, e da liberdade como meio de adequação ao contexto actual. O livro resultante reflete uma abordagem definida de uma época, e não todo o panorama. A sistematização do conceito de normal a partir da segmentação em ideias menores, mais concretas e identificáveis nos produtos, procura proporcionar a consulta organizada de reacções ao contexto dominante actual, à ideia de especial, mas mais do que regras, procura fornecer um documento de reflexão a visitar no acto de projectar, seja como um todo, ou em partes.