Os avanços tecnológicos e científicos das últimas décadas tem-nos permitido estudar com maior detalhamento todos os sistemas que nos rodeiam, sejam eles naturais ou artificiais. Em razão da complexidade apresentada pela grande maioria deles, uma nova metodologia tem ganhado cada vez mais espaço em todas as áreas de estudo do mundo científico, permitindo resolver problemas e trazer informações detalhadas sobre todos os tipos de sistemas que nos rodeiam: Redes Complexas.
Embora carregue a palavra “complexa”, a metodologia incorpora uma filosofia que tem como objetivo justamente o contrário: representar de maneira simples sistemas do mundo real através de redes. “A metodologia recebe esse nome, pois estuda redes geradas por sistemas complexos. Essas redes são definidas por elementos e suas relações. Por exemplo, em uma rede social, como o Facebook, cada vértice representa uma pessoa, e as relações de amizade entre elas são representadas pelas arestas. Se partirmos para a Biologia, cada vértice seria um neurônio e as sinapses as arestas”, explica Filipi Nascimento Silva, pós-doutorando do Grupo de Computação Interdisciplinar do Instituto de Física de São Carlos (GCI-IFSC/USP).
E Filipi tem autoridade para falar sobre este tópico. Recentemente, sua tese, defendida no final do ano passado, que contou com o financiamento da FAPESP e da CAPES*, teve como base a metodologia de Redes Complexas, e recebeu menção honrosa na edição de 2017 do Prêmio Tese Destaque USP. De acordo com o pesquisador, Redes Complexas já se tornou uma grande área de estudos, e agora contempla não somente aplicações, mas também estudos básicos em todas as áreas do conhecimento, a exemplo da tese de Filipi.
Explorando a dimensão
A pesquisa de Filipi, orientada pelo docente Luciano da Fontoura Costa, consistiu em diversos estudos de caso, focados em duas propriedades básicas das Redes Complexas, de acordo com ele ainda muito pouco exploradas na literatura: dimensão e simetria.
Imagem: Estrutura bidimensional da rede da Europa (à esq.) contra estrutura mais tridimensional dos EUA (à dir.)- créditos: Filipi Nascimento
Além de notar que o conceito de dimensão era pouco explorado nos estudos de Redes Complexas, Filipi e Luciano perceberam também que o conceito tem uma influência muito forte para facilitar a visualização das redes. Esse gap de estudos, então, foi o estímulo para que eles desenvolvessem um estudo básico e comparativo entre as redes de distribuição de energia elétrica na Europa e dos Estados Unidos.
Nesse primeiro estudo, cada vértice foi representado por uma estação de transmissão, e as arestas pelos cabos que ligam duas estações. Uma das primeiras conclusões do estudo apontou uma dinâmica de distribuição nas redes estadunidenses sendo maior do que nas europeias, influenciando fortemente o aspecto de robustez dessas redes. “Caso haja uma falha no sistema, causada por problemas técnicos ou algum tipo de ataque, o sistema com maior dimensão será mais robusto e, portanto, mais resistente a essas falhas”, explica Filipi.
O segundo estudo teve como objeto os sistemas de transporte, classificados como bidimensionais, ou seja, que permitem movimentos para frente, para trás e para os lados, a exemplo dos sistemas de metrôs, que são mais complicados de se navegar, mas, ao mesmo tempo, mais eficientes, justamente por permitirem uma forma de deslocamento além do bidimensional. “Esse sistema é mais complexo, pois, por ter maior dimensão, oferece diversas formas de locomoção, o que, por um lado, dificulta o traçado de rotas, mas, por outro, é mais eficiente”, elucida Filipi. “E foi durante esse estudo que vimos que a simetria também tinha grande importância”.
Explorando a simetria
Diante da importância e, sobretudo, influência da simetria para analisar redes complexas, Filipi partiu para a segunda fase de seus estudos, desta vez explorando a característica de simetria de redes. Definindo-se de forma simples, a simetria analogamente seria como um espelho na rede, ou seja, um sistema com várias partes iguais, “refletidas”, funcionando da mesma forma. “Utilizamos a ideia de simetria também para quantificar a complexidades das redes, e isso deu origem a diversos outros trabalhos”, diz Filipi. [Tatiana, este trabalho ]
Imagem: exemplo de simetria em uma rede complexa- créditos: Filipi Nascimento
Um deles consistiu na análise da interdisciplinaridade entre disciplinas específicas. No contexto de redes complexas, a interdisciplinaridade é avaliada através da diversidade de citações ou referências que um estudo recebe de outras áreas de pesquisa. Ou seja, um estudo que receba citações de pesquisadores de biologia, química, computação e física, por exemplo, é mais interdisciplinar do que um estudo da área de matemática pura. “Utilizamos a simetria para quantificar o balanço dessas citações. Por exemplo, a área de Redes Complexas recebe citações de outras áreas de maneira mais uniforme, e é, portanto, mais simétrica nesse sentido. Na matemática pura, em geral, as citações serão majoritariamente de um único tipo e, portanto, será mais desbalanceada, menos interdisciplinar e menos simétrica [clique aqui para assistir a um vídeo explicativo]”, explica**.
Outro estudo realizado por Filipi teve como foco a detecção de autoria de textos através da simetria***. Ele selecionou textos de autores específicos, e os transformou em redes complexas, nas quais cada palavra representava um vértice, e a conexão existiria se elas aparecem juntas em algum local do texto. A metodologia de adjacência de textos já é bem explorada, mas não sob a óptica de simetria, e essa foi a novidade do estudo em questão. “Conseguimos com sucesso identificar os autores de textos explorando a simetria em adjacência de textos e concluímos que um bom classificador poderia utilizar somente o conceito de simetria de adjacência de palavras. A maneira que os autores utilizam as palavras darão pistas que levarão à identificação do autor”, diz Filipi.
Esse estudo específico rendeu uma parceria com Carlos Moreira, docente da Faculdade de Medicina da USP (FM/USP), que forneceu dados de expressão gênica de pacientes com epilepsia. “Aplicando técnicas similares àquelas que utilizamos nos textos, conseguimos identificar alguns genes que influenciam todo sistema biológico de um paciente epilético. Foi possível, portanto, identificar certos padrões genéticos que podem, no futuro, auxiliar nos estudos ou no desenvolvimento de um medicamento que combata esse tipo de doença, ou seja, que tenha mecanismos de expressão gênica, como a doença de Parkinson”, afirma Filipi.
As Redes Complexas podem trazer um retrato da realidade?
Os estudos de Filipi revelam que sim. A exploração das medidas de dimensão e simetria das redes complexas possibilitou que os pesquisadores classificassem as redes através da complexidade, objetivo principal do estudo desde o princípio. “A baixa simetria indica poucas partes repetidas nas redes, complicando sua descrição. Essas redes correspondem, por exemplo, aos sistemas biológicos, às redes de conhecimento, que são realmente complexas, enquanto as redes de transporte e de energia são mais simples e fáceis de serem analisadas”, complementa Filipi.
Atualmente, Filipi realiza parte de seu pós-doutoramento na Indiana University (EUA) e tem dado continuidade aos estudos desenvolvidos em seu doutorado no IFSC, dessa vez tendo como foco redes dinâmicas, isto é, que variam no tempo. “Tenho trabalhado em parceria com o professor Filippo Menczer, estudando as autorias e citações em trabalhos científicos e como elas se desenvolvem, de onde vêm as colaborações etc. Estamos tentando modelar as dinâmicas da própria Ciência através dessas redes sociais”, conclui.
*O pós-doutorado de Filipi é também financiado pela FAPESP
**Este trabalho foi desenvolvido em colaboração com outros membros do GCI-IFSC/USP (César H. Comin, Thomas KDM. Peron) e com pesquisadores da Universidade de York (Inglaterra), liderados pelo professor Edwin Hancock
***Este segundo trabalho foi desenvolvido em colaboração o docente do Grupo de Polímeros (GP-IFSC/USP), Osvaldo Novais de Oliveira Jr., com o docente do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC/USP), Diego Raphael Amancio, e com a pesquisadora do Tyndall National Institute (Irlanda), Maria Bardosova.
Assessoria de Comunicação- IFSC/USP
