Existem muitas camadas no cérebro humano. Do seu exterior enrugado às suas profundezas mais escuras, os cientistas estão tentando entendê-los todos. Mas, ao aprimorar os intrincados circuitos neurais do cérebro , eles parecem ter negligenciado os padrões de atividade girando na superfície.
Uma equipe de físicos de fluidos da Universidade de Sydney, na Austrália, e da Universidade de Fudan, na China, descobriu sinais cerebrais ondulando na camada mais externa do tecido neural do cérebro, o córtex cerebral, em exames de cérebros de 100 jovens adultos. Sinais naturalmente dispostos em espirais, como vórtices em uma banheira que se esvazia ou redemoinhos de ar turbulento.
“Obter informações sobre como as espirais estão relacionadas ao processamento cognitivo pode melhorar significativamente nossa compreensão da dinâmica e das funções do cérebro”, diz o autor sênior Pulin Gong, físico da Universidade de Sydney.
O córtex é a camada externa enrugada de tecido denso de neurônios que se dobra nos dois hemisférios do nosso cérebro, responsável por computar funções cognitivas complexas, como linguagem e armazenamento de memórias.
Os neurocientistas se concentraram principalmente no mapeamento da atividade cerebral de baixo para cima para entender o funcionamento interno de regiões como o córtex: imagens de células para determinar como elas se comunicam como redes que dão origem à sua função.
Em uma reviravolta empolgante, a equipe analisou dados de imagens cerebrais coletados como parte do Projeto Human Connectome usando métodos mais familiares aos físicos de fluidos que estudam padrões de ondas complexos em fluxos turbulentos.
As varreduras de ressonância magnética funcional produzem dados de imagem que mostram quando e onde o cérebro ‘acende’ em uma explosão de atividade, inundado com sangue oxigenado. Os padrões em espiral identificados nos dados lembram ondas caleidoscópicas ou, quando simplificados em vórtices direcionais, linhas de pressão circulares em um mapa meteorológico.
“Esses padrões espirais exibem uma dinâmica intrincada e complexa, movendo-se pela superfície do cérebro enquanto giram em torno de pontos centrais conhecidos como singularidades de fase”, explica Gong.
“Assim como os vórtices agem na turbulência, as espirais se envolvem em interações intrincadas, desempenhando um papel crucial na organização das atividades complexas do cérebro”, ele hipotetiza.
Ondas rítmicas e espiraladas já foram detectadas em circuitos neurais, movendo-se através de regiões cerebrais locais que lidam com entradas sensoriais, como os córtices visual, auditivo e somatossensorial.
Essas ondas viajantes são intrigantes o suficiente em um nível celular, especialmente quando você considera como os vórtices turbulentos também foram observados em outras partes do corpo e da natureza: em suspensões de bactérias nadadoras, sinalização bioquímica do coração e nas membranas das células vivas.
Mas como ondas semelhantes a redemoinhos podem se materializar no córtex cerebral como um todo não havia sido explorado até agora, deixando uma lacuna na compreensão de como as funções cerebrais em cada uma das regiões poderiam estar conectadas.
As ondas espirais pareciam abranger múltiplas redes de células interconectadas e estavam situadas em locais anatômicos precisos, sugerindo que elas podem desempenhar algum papel na coordenação da atividade cerebral.
Esta teoria de trabalho foi testada com análises adicionais, revelando que as espirais cerebrais mudaram de direção para reprogramar a atividade cerebral durante o processamento da linguagem e tarefas de memória de trabalho, como ouvir histórias e responder a problemas de matemática.
“Uma das principais características dessas espirais cerebrais é que elas geralmente emergem nos limites que separam diferentes redes funcionais no cérebro”, explica Yiben Xu, estudante de física da Universidade de Sydney.
Nesses locais, os pesquisadores acreditam que as espirais rotativas podem atuar como um portão, permitindo que a atividade cerebral flua para outra região quando os giros são opostos , ou como uma parede, bloqueando-a quando giram na mesma direção.
“Através de seu movimento rotacional, elas efetivamente coordenam o fluxo de atividade entre essas redes”, sugere Xu.
As descobertas se encaixam em uma teoria alternativa de como as funções cerebrais complexas surgem da atividade de células individuais, disparando. A teoria sugere que os padrões ondulatórios da atividade cerebral são esculpidos pela forma do próprio cérebro – as dobras, sulcos e contornos – ao invés de suas interconexões.
O neurobiólogo Kentaroh Takagaki, da Universidade de Tokushima, no Japão, que não participou do trabalho, diz que os resultados de Gong e colegas também “apresentam um forte contraponto” à hipótese colunar do cérebro, que descreve como o córtex é organizado em colunas de neurônios que processam informações em blocos.
No entanto, as gravações de fMRI usadas no estudo capturaram apenas ondas lentas de atividade cerebral, portanto, mais pesquisas são necessárias para ver se padrões semelhantes surgem em oscilações de ondas cerebrais mais rápidas e em varreduras de maior resolução.
“Ao desvendar os mistérios da atividade cerebral e descobrir os mecanismos que regem sua coordenação, estamos nos aproximando de desbloquear todo o potencial de compreensão da cognição e da função cerebral”, diz Gong.
O estudo foi publicado na Nature Human Behavior.
Por Clare Watson
Publicado no ScienceAlert
