Descoberto um universo multidimensional em redes cerebrais

A imagem tenta ilustrar algo que não pode ser visualizado — um Universo de estruturas e espaços multidimensionais. Acima, uma cópia digital de uma parte do neocórtex, a parte mais evoluída do cérebro. Abaixo, formas de tamanhos e geometrias diferentes, na tentativa de representar estruturas que variam de 1 dimensão a 7 dimensões e além. O “buraco negro” no meio é usado para simbolizar um complexo de espaços ou cavidades multidimensionais. (Créditos da imagem: Blue Brain Project).

Para a maioria das pessoas, é necessário um pouco de imaginação entender o mundo em quatro dimensões, mas um estudo descobriu estruturas no cérebro com até onze dimensões — trabalho inovador que começa a revelar os segredos arquitetônicos mais profundos do cérebro.

Usando a topologia algébrica de uma maneira que nunca foi usada antes na neurociência, uma equipe do Blue Brain Project descobriu um Universo de estruturas e espaços geométricos multidimensionais nas redes do cérebro.

A pesquisa, publicada na revista Frontiers in Computational Neuroscience, mostra que essas estruturas surgem quando um grupo de neurônios forma uma camarilha: Cada neurônio se conecta a todos os outros neurônios do grupo de uma maneira muito específica que gera um objeto geométrico preciso. Quanto mais neurônios houver em uma camarilha, maior será a dimensão do objeto geométrico.

“Encontramos um mundo que nunca imaginamos”, disse o neurocientista Henry Markram, diretor do Blue Brain Project e professor da Escola Politécnica Federal de Lausan (EPFL, na sigla em inglês) em Lausanne, na Suíça. “Existem dezenas de milhões desses objetos, mesmo em uma pequena parte do cérebro, através de sete dimensões. Em algumas redes, encontramos estruturas com até onze dimensões”, acrescentou o professor.

Markram sugeriu que a descoberta pode explicar por que tem sido tão difícil entender o cérebro: “A matemática geralmente aplicada às redes de estudo não pode detectar as estruturas e os espaços de alta dimensão que agora vemos claramente”.

Se os mundos 4D exigem muito da nossa imaginação, os mundos com 5, 6 ou mais dimensões são complexos demais para a maioria de nós compreender. É aqui que entra a topologia algébrica: um ramo da matemática que pode descrever sistemas com qualquer número de dimensões. Os matemáticos que trouxeram a topologia algébrica para o estudo das redes cerebrais no Blue Brain Project foram Kathryn Hess, da EPFL, e Ran Levi, da Universidade de Aberdeen.

“A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo. Ele pode ampliar as redes para encontrar estruturas ocultas — as árvores na floresta — e ver os espaços vazios — as clareiras — tudo ao mesmo tempo”, explica Hess.

Em 2015, o Blue Brain publicou a primeira cópia digital de um pedaço do neocórtex — a parte mais evoluída do cérebro e a sede de nossas sensações, ações e consciência. Na pesquisa mais recente, usando topologia algébrica, vários testes foram realizados no tecido cerebral virtual para mostrar que as estruturas cerebrais multidimensionais descobertas nunca poderiam ser produzidas por acaso. 

Experimentos foram então realizados em tecido cerebral real no laboratório úmido do Blue Brain em Lausanne, confirmando que as descobertas anteriores no tecido virtual são biologicamente relevantes e também sugeriram que o cérebro se religue constantemente durante o desenvolvimento para construir uma rede com tantas estruturas de alta dimensão quanto possível.

Quando os pesquisadores apresentaram um estímulo no tecido cerebral virtual, grupos de dimensões progressivamente mais altas se reuniram momentaneamente para incluir orifícios de alta dimensão, que os pesquisadores chamam de cavidades. “O surgimento de cavidades de alta dimensão quando o cérebro está processando informações significa que os neurônios da rede reagem a estímulos de maneira extremamente organizada”, explica Levi. 

“É como se o cérebro reagisse a um estímulo construindo e destruindo uma torre de blocos multidimensionais, começando com barras (1D), depois pranchas (2D), depois cubos (3D) e, em seguida, geometrias mais complexas com 4D, 5D, etc. A progressão da atividade pelo cérebro se assemelha a um castelo de areia multidimensional que se materializa na areia e depois se desintegra”, concluiu.

A grande questão que esses pesquisadores estão perguntando agora é se a complexidade das tarefas que podemos executar depende da complexidade dos “castelos de areia” multidimensionais que o cérebro pode construir. A neurociência também tem se esforçado para descobrir onde o cérebro armazena suas memórias. “Elas podem estar escondidas em ‘cavidades de alta dimensão’”, especulou Markram.

EurekaAlert