O cérebro continua a nos surpreender com sua magnífica complexidade.
Um estudo inovador, chamado Blue Brain Project, que combina neurociência com matemática descobriu que nosso cérebro cria estruturas neurais com até 11 dimensões ao processar informações. Dimensões significam espaços matemáticos abstratos, não outros reinos físicos.
Os pesquisadores encontraram um mundo que nunca tínhamos imaginado”, disse Henry Markram, diretor do Blue Brain Project.
O objetivo do Blue Brain Project, situado na Suíça, é criar digitalmente uma simulação “biologicamente detalhada” do cérebro humano. Ao criar os cérebros digitais com um nível de informação biológica “sem precedentes”, os cientistas procuram avançar nossa compreensão do cérebro humano, que é incrivelmente intrincado, com cerca de 86 bilhões de neurônios.
Para obter uma visão mais clara de como uma rede tão imensa funciona para formar nossos pensamentos e ações, os cientistas empregaram supercomputadores e um ramo peculiar de matemática. A equipe baseou sua pesquisa atual no modelo digital do neocórtex, que terminou em 2015.
Eles examinaram a forma como este neocórtex digital respondeu usando o sistema matemático de topologia algébrica. Isso permitiu que eles determinassem que nosso cérebro constantemente cria formas e espaços geométricos multidimensionais muito intrincados que se parecem com “castelos de areia”.
Sem usar topologia algébrica, um ramo de matemática que descreve sistemas com qualquer número de dimensões, a visualização da rede multidimensional seria impossível.
Utilizando a nova abordagem matemática, os pesquisadores conseguiram ver o alto grau de organização no que anteriormente parecia ser um modelo “caótico” de neurônios.
A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo. Ela pode ampliar as redes para encontrar estruturas ocultas – as árvores na floresta – e ver os espaços vazios – os claros – tudo ao mesmo tempo”, afirmou o autor do estudo Kathryn Hess.
Primeiro, os cientistas realizaram testes sobre o tecido cerebral virtual que eles criaram e depois confirmaram os resultados, fazendo os mesmos experimentos com tecido cerebral real de ratos.
Quando estimulados, os neurônios virtuais se juntavam, com cada neurônio conectado a outro de tal forma que um objeto geométrico específico seria formado. Um grande número de neurônios adicionaria mais dimensões, o que, em alguns casos, aumentou para 11. As estruturas se organizariam em torno de um buraco de alta dimensão que os pesquisadores chamavam de “cavidade”. Depois que o cérebro processou a informação, o padrão de organização e a cavidade desapareceram.
O pesquisador Ran Levi detalhou como esse processo está funcionando:
O aparecimento de cavidades de alta dimensão quando o cérebro está processando informações significa que os neurônios da rede reagem aos estímulos de forma extremamente organizada. É como se o cérebro reagisse a um estímulo construindo e destruindo uma torre multidimensional de blocos, começando com varas (1D), depois pranchas (2D), então cubos (3D) e geometrias mais complexas com 4D, 5D, etc. A progressão da atividade através do cérebro se assemelha a um castelo de areia multidimensional que se materializa a partir da areia e depois se desintegra”.
O significado da descoberta consiste em nos permitir uma maior compreensão sobre “um dos mistérios fundamentais da neurociência – a ligação entre a estrutura do cérebro e a forma como ele processa a informação”, explicou Kathryn Hess em entrevista à revista Newsweek.
Os cientistas procuram usar a topologia algébrica para estudar o papel da “plasticidade”, que é o processo de fortalecimento e enfraquecimento das conexões neurais quando o cérebro é estimulado – um componente chave na forma como nossos cérebros aprendem. Eles vêem a aplicação adicional de suas descobertas no estudo da inteligência humana e na formação de memórias.
O estudo foi publicado no Frontiers in Computational Neuroscience, neste link.