Neurocientistas aproveitaram um ramo clássico da matemática de uma forma totalmente nova para avaliar a estrutura do cérebro. E através da topologia algébrica descobriram que o principal órgão do sistema nervoso está cheio de estruturas geométricas multidimensionais e pode operar em até onze dimensões.
Estamos acostumados a ver o mundo por uma perspectiva tridimensional, o que pode parecer estranho ou difícil de conceber. Porém, os resultados do estudo, publicado na Frontiers of Computational Neuroscience, podem ser um próximo passo importante na compreensão dos tecidos do cérebro humano – a estrutura mais complexa que conhecemos.
Este novo modelo de cérebro foi produzido por uma equipa de investigadores do projeto Blue Brain, uma iniciativa da pesquisa suíça dedicada a elaborar uma reconstrução do cérebro humano via supercomputador.
A equipa utilizou topologia algébrica, um ramo da matemática aplicado no sentido de descrever as propriedades de objetos e espaços, independentemente de como mudam de forma.
A equipa descobriu que os grupos de neurónios se conectam em “panelinhas”, ou seja, em grupos afins, e que o número de neurónios numa mesma “panelinha” determinaria o seu tamanho como um objeto geométrico de alta dimensão.
“Encontramos um mundo que nunca tínhamos imaginado. Existem dezenas de milhões destes objetos, mesmo numa pequena mancha do cérebro, através de sete dimensões. Em algumas redes, até encontramos estruturas com até onze dimensões”, disse o líder da pesquisa, Henry Markram, neurocientista do Instituto EPFL, na Suíça.
Estima-se que os cérebros humanos contenham um impressionante total de 86 mil milhões de neurónios, com conexões múltiplas entre cada célula e emaranhadas por todas as direções possíveis. Estes formam, desse modo, a vasta rede celular que, de alguma forma, faz com que as pessoas sejam capazes de pensar e de desenvolver a consciência.
Diante de uma quantidade tão imensa de conexões para serem analisadas, não é de admirar que ainda não seja possível compreender, de forma minuciosa, como opera a rede neural do cérebro. Porém, a nova estrutura matemática construída pela equipa conduz-nos alguns passos mais à frente para, um dia, desenvolver um modelo de cérebro digital.
Procedimento
Para realizar os testes matemáticos, a equipa usou um modelo detalhado de neocórtex publicado pelo projeto Blue Rain, em 2015. O neocórtex é considerado a parte mais recentemente desenvolvida dos nossos cérebros no processo evolutivo e envolve-se em algumas das nossas funções mais complexas, como a cognição e a percepção sensorial.
Depois de desenvolver a linha teórica matemática e de testá-la nos seus estímulos virtuais, os cientistas também confirmaram os resultados em tecidos cerebrais reais de cobaias.
De acordo com o estudo, a topologia algébrica fornece ferramentas matemáticas para identificar detalhes da rede neural, tanto numa visão aproximada ao nível dos neurónios individuais quanto numa escala maior, na estrutura cerebral como um todo.
Ao conectar esses dois pontos de vista, os investigadores podiam distinguir as estruturas geométricas de alta dimensão no cérebro, formadas por coleções de neurónios hermeticamente conectados (cliques) e por espaços vazios (cavidades) entre eles.
“Encontramos um número extraordinariamente alto e uma ampla variedade de cliques e cavidades ordenadas de alta dimensão, que jamais foram vistas antes em redes neurais, nem biológicas ou artificiais”, escreveram os pesquisadores no estudo.
“A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo. É possível ampliar as redes para encontrar estruturas ocultas – as árvores na floresta – e ver os espaços vazios e as clareiras, tudo ao mesmo tempo”, diz uma das cientistas, Kathryn Hess, da EPFL.
Essas clareiras, ou cavidades, parecem ser criticamente importantes para a função cerebral. Quando os cientistas deram um estímulo ao tecido do cérebro virtual, perceberam que os neurónios estavam a reagir de maneira altamente organizada.
“É como se o cérebro reagisse a um estímulo ao construir e depois destruir uma torre de blocos multidimensionais, começando com hastes (unidimensionais), pranchas (bidimensionais), cubos (tridimensionais) e, enfim, geometrias mais complexas com 4D, 5D, etc.”, diz um dos cientistas, o matemático Ran Levi, da Universidade Aberdeen, na Escócia.
“A progressão das atividades através do cérebro assemelha-se a um castelo de areia multidimensional, que se materializa fora da areia e, depois, se desintegra”, acrescenta Levi.
Estas descobertas fornecem uma nova imagem tentadora de como o cérebro processa as informações, mas os investigadores pontuaram algo que ainda não está claro: o que faz os cliques e as cavidades formarem-se das suas maneiras altamente específicas.
Será necessário mais trabalho e mais pesquisas para determinar como a complexidade dessas formas geométricas multidimensionais formadas pelos nossos neurónios se correlacionam com a complexidade das diversas tarefas cognitivas.
Mas, definitivamente, esta não será a última vez que teremos notícias de novos insights que a topologia algébrica nos pode fornecer sobre o cérebro – o mais misterioso de entre os órgãos humanos.
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