A estrutura do cérebro está em “um delicado equilíbrio”

Agora, um novo estudo da Universidade Northwestern descobriu que as características estruturais do cérebro residem na vizinhança de um ponto crítico semelhante – numa transição de fase estrutural ou perto dela. Surpreendentemente, estes resultados são consistentes em cérebros de humanos, ratos e moscas da fruta, o que sugere que a descoberta pode ser universal.

Embora os investigadores não saibam entre quais fases a estrutura do cérebro está a transitar, dizem que esta nova informação poderá permitir novos designs para modelos computacionais da complexidade do cérebro e dos fenómenos emergentes.

A pesquisa foi publicada hoje (10 de junho) na Communications Physics, revista publicada pela Nature Portfolio.

“O cérebro humano é um dos sistemas mais complexos conhecidos, e muitas propriedades dos detalhes que governam a sua estrutura ainda não são compreendidas”, disse István Kovács da Northwestern, autor sénior do estudo. “Vários outros pesquisadores estudaram a criticidade do cérebro em termos de dinâmica dos neurônios. Mas estamos olhando para a criticidade no nível estrutural, a fim de, em última análise, compreender como isso sustenta a complexidade da dinâmica cerebral. Essa tem sido uma peça que faltava para a forma como pensamos sobre o complexidade do cérebro. Ao contrário de um computador onde qualquer software pode ser executado no mesmo hardware, no cérebro a dinâmica e o hardware estão fortemente relacionados.”

“A estrutura do cérebro a nível celular parece estar perto de uma transição de fase”, disse Helen Ansell, da Northwestern, a primeira autora do artigo. “Um exemplo cotidiano disso é quando o gelo derrete em água. Ainda são moléculas de água, mas estão passando por uma transição de sólido para líquido. Certamente não estamos dizendo que o cérebro está perto de derreter. Na verdade, não temos um maneira de saber entre quais duas fases o cérebro poderia estar em transição, porque se estivesse em ambos os lados do ponto crítico, não seria um cérebro.”

Kovács é professor assistente de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern. Na época da pesquisa, Ansell era pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório; agora ela é Tarbutton Fellow na Emory University.

Embora os pesquisadores tenham estudado há muito tempo a dinâmica cerebral usando imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) e eletroencefalogramas (EEG), os avanços na neurociência só recentemente forneceram enormes conjuntos de dados para a estrutura celular do cérebro. Esses dados abriram possibilidades para Kovács e sua equipe aplicarem técnicas de física estatística para medir a estrutura física dos neurônios.

Para o novo estudo, Kovács e Ansell analisaram dados publicamente disponíveis de reconstruções cerebrais em 3D de humanos, moscas-das-frutas e ratos. Ao examinar o cérebro em resolução em nanoescala, os pesquisadores descobriram que as amostras apresentavam características de propriedades físicas associadas à criticidade.

Uma dessas propriedades é a conhecida estrutura fractal dos neurônios. Essa dimensão fractal não trivial é um exemplo de um conjunto de observáveis, chamados de “expoentes críticos”, que emergem quando um sistema está próximo de uma transição de fase.

As células cerebrais são organizadas em um padrão estatístico semelhante a um fractal em diferentes escalas. Quando ampliadas, as formas fractais são “autossimilares”, o que significa que partes menores da amostra se assemelham à amostra inteira. Os tamanhos dos vários segmentos de neurônios observados também são diversos, o que fornece outra pista. De acordo com Kovács, a auto-similaridade, as correlações de longo alcance e as distribuições de tamanho amplo são todas assinaturas de um estado crítico, onde as características não são nem muito organizadas nem muito aleatórias. Estas observações levam a um conjunto de expoentes críticos que caracterizam estas características estruturais.

“Estas são coisas que vemos em todos os sistemas críticos da física”, disse Kovács. “Parece que o cérebro está num delicado equilíbrio entre duas fases.”

Kovács e Ansell ficaram surpresos ao descobrir que todas as amostras de cérebro estudadas – de humanos, ratos e moscas da fruta – têm expoentes críticos consistentes em todos os organismos, o que significa que partilham as mesmas características quantitativas de criticidade. As estruturas subjacentes e compatíveis entre os organismos sugerem que um princípio governante universal pode estar em jogo. Suas novas descobertas poderiam ajudar a explicar por que os cérebros de diferentes criaturas compartilham alguns dos mesmos princípios fundamentais.

“Inicialmente, estas estruturas parecem bastante diferentes – o cérebro de uma mosca inteira tem aproximadamente o tamanho de um pequeno neurónio humano”, disse Ansell. “Mas então encontramos propriedades emergentes que são surpreendentemente semelhantes.”

“Entre as muitas características que são muito diferentes entre os organismos, contamos com as sugestões da física estatística para verificar quais medidas são potencialmente universais, como os expoentes críticos. Na verdade, estas são consistentes entre os organismos”, disse Kovács. “Como um sinal ainda mais profundo de criticidade, os expoentes críticos obtidos não são independentes – de quaisquer três, podemos calcular o resto, conforme ditado pela física estatística. Esta descoberta abre caminho para a formulação de modelos físicos simples para capturar padrões estatísticos do estrutura cerebral. Esses modelos são informações úteis para modelos cerebrais dinâmicos e podem ser inspiradores para arquiteturas de redes neurais artificiais.”

Em seguida, os investigadores planeiam aplicar as suas técnicas a novos conjuntos de dados emergentes, incluindo secções maiores do cérebro e mais organismos. O seu objectivo é descobrir se a universalidade ainda se aplicará.

O estudo, “Revelando aspectos universais da anatomia celular do cérebro”, foi parcialmente apoiado por recursos computacionais nas instalações de computação de alto desempenho da Quest em Northwestern.