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).
Descoberto um universo
multidimensional em redes cerebrais
Usando a matemática de uma maneira nova na
neurociência, o Blue Brain Project demonstra que o cérebro opera em muitas
dimensões, não apenas nas três dimensões às quais estamos acostumados.
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].
Referências:
1. REIMANN,
Michael W. et al. “Cliques of Neurons
Bound into Cavities Provide a Missing Link between Structure and Function”; Frontiers in Computational Neuroscience, 2017. Acesso em: 11 nov. 2019.
2. MAKRAM, Henry et al. “Reconstruction and Simulation of
Neocortical Microcircuitry”; Cell, 2015. Acesso em: 11 nov. 2019.
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CIÊNCIA ◘ DESCOBERTO UM UNIVERSO MULTIDIMENSIONAL EM REDES CEREBRAIS.
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