O cérebro humano pode criar estruturas em até 11 dimensões

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Ilustração conceitual de redes neurais (I) e topologia (II), cortesia do projeto Blue Brain.

Por Signe Dean
Publicado no Science Alert

Em 2017, neurocientistas utilizaram uma ramificação da matemática clássica de uma maneira completamente nova para espiar a estrutura de nossos cérebros. O que eles descobriram é que o cérebro é repleto de estruturas geométricas multidimensionais operando em até 11 dimensões.

Estamos acostumados a pensar o mundo de uma perspectiva 3-D, então isso pode soar um pouco confuso, mas os resultados desse estudo podem ser o próximo grande passo para compreender o tecido do cérebro humano – a estrutura mais complexa que conhecemos.

Este modelo cerebral foi elaborado por pesquisadores do projeto Blue Brain, uma iniciativa de pesquisa suíça comprometida em reconstruir o cérebro humano com a potência de um supercomputador.

A equipe usou topologia algébrica, um ramo da matemática que descreve propriedades de objetos e espaços independentemente de como mudam seu formato.

Descobriram que grupos de neurônios se conectam em ‘panelinhas’, ou pequenos grupos, e que o número de neurônios em uma ‘panelinha’ define seu tamanho tal como objeto geométrico de alta-dimensão (um conceito dimensional matemático, e não espacial).

“Nós encontramos um mundo que nunca havíamos imaginado,” afirma o pesquisador chefe e neurocientista Henry Markram do instituto EPFL na Suíça.

“Existem dezenas de milhões desses objetos mesmo em uma pequena parte do cérebro, com mais de sete dimensões. Em algumas redes, encontramos estruturas que vão a até 11 dimensões.”

Para esclarecer – essa com certeza não é a maneira como você pensaria em dimensões espaciais (nosso universo possui três, e mais uma dimensão temporal); no entanto, é o modo como pesquisadores observaram os agrupamentos de neurônios para determinar quão conectados eles estão.

“Redes são frequentemente analisadas em termos agrupamentos de nós que estão todos conectados entre si, conhecidos como ‘cliques’. O número de neurônios em um ‘clique’, ou panelinha, determina seu tamanho, ou com maior formalidade, sua dimensão,” os pesquisadores explicaram no artigo.

Estima-se que o cérebro tenha um total desconcertante de 86 bilhões de neurônios, com múltiplas conexões e cada célula se entrelaçando em todas as direções possíveis, formando a extensa rede celular que de alguma maneira nos faz pensantes e conscientes.

Com esse número imenso de conexões para lidar, não é atoa que ainda não tenhamos um entendimento completo de como funciona a rede neural de um cérebro.

Porém, a estrutura matemática construída pela equipe nos leva um passo mais perto de ter, um dia, um modelo digital de mesma capacidade que um cérebro real.

Para realizar os testes matemáticos, a equipe usou um modelo detalhado de neocórtex, o qual pesquisadores do projeto Blue Brain publicaram em 2015.

Acredita-se que o neocórtex é a parte que evoluiu mais recentemente em nossos cérebros, e é a área envolvida em algumas de nossas funções mais avançadas, como as cognitivas e percepção sensorial.

Depois de desenvolver a estrutura matemática e testá-la estimulando-a virtualmente, a equipe de pesquisadores também confirmou os mesmos resultados em tecidos cerebrais reais de ratos.

De acordo com os pesquisadores, a topologia algébrica fornece ferramentas matemáticas para diferenciar detalhes da rede neural em um nível de observação de neurônios individuais, mas também no nível da estrutura cerebral inteira.

Ao conectar esses dois níveis, os pesquisadores puderam discernir estruturas geométricas de alta-dimensão no cérebro, formadas por inúmeras conexões bem justas de neurônios (cliques) e os espaços vazios (cavidades) entre eles.

“Nós encontramos um número extraordinariamente alto e variado de cliques e cavidades de alta-dimensão organizados, os quais não tinham sido observados ainda em redes neurais, quer sejam redes biológicas ou artificiais,” a equipe relatou no estudo.

“Topologia algébrica é um telescópio e um             microscópio ao mesmo tempo,”              afirmou a matemática da EPFL integrante da equipe de pesquisadores.

“Podemos chegar perto o suficiente das redes para achar estruturas escondidas, como as árvores numa floresta; e ainda ver os espaços vazios, as clareiras, tudo ao mesmo tempo.”

As cavidades, ou clareiras, parecem ter importância crítica pro funcionamento do cérebro. Quando pesquisadores estimularam o tecido cerebral virtual, eles observaram que os neurônios reagiram à este de uma maneira extremamente organizada.

É como se o cérebro reagisse à estímulos construindo e em seguida demolindo uma torre de blocos multidimensionais, começando com fios (1D), chapas (2D), depois cubos (3D), e então partindo para geometrias mais complexas com 4, 5 dimensões, etc,” afirma Ran Levi, matemático da Universidade Aberdeen na Escócia, integrante da equipe.

“A progressão de uma atividade no cérebro se assemelha a um castelo de areia multidimensional que se materializa e então se desintegra.”

Essas descobertas fornecem uma nova perspectiva tentadora de como o cérebro processa informação, mas os pesquisadores apontam que ainda não está claro o que faz os cliques (panelinhas de neurônios) e as cavidades (clareiras) se formarem de um jeito específico.

E mais trabalho e pesquisa será necessário para determinar como a complexidade dessas formas geométricas multidimensionais formadas por nossos neurônios se correlacionam com a complexidade dos inúmeros processos cognitivos.

Mas essa não é, definitivamente, a última descoberta que a topologia algébrica nos proporcionará no mais misterioso dos órgãos humanos – o cérebro.

O estudo foi publicado no Frontiers of Computational Neuroscience.

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