Em 2017, os neurocientistas usavam um ramo clássico da matemática de uma maneira totalmente nova para observar a estrutura de nossos cérebros.
O que eles descobriram é que o cérebro está cheio de estruturas geométricas multidimensionais, operando em até 11 dimensões.
Estamos acostumados a pensar no mundo a partir de uma perspectiva 3D, então isso pode parecer um pouco complicado, mas os resultados deste estudo podem ser o próximo passo importante para entender o tecido do cérebro humano – a estrutura mais complexa que saber de.
Esse modelo cerebral foi produzido por uma equipe de pesquisadores do Blue Brain Project, uma iniciativa de pesquisa suíça dedicada à construção de uma reconstrução do cérebro humano por um supercomputador.
A equipe usou a topologia algébrica, um ramo da matemática usado para descrever as propriedades de objetos e espaços, independentemente de como eles mudam de forma.
Eles descobriram que grupos de neurônios se conectam a “panelinhas” e que o número de neurônios em uma camarilha levaria ao seu tamanho como um objeto geométrico de alta dimensão (um conceito dimensional matemático, não um espaço-tempo).
“Encontramos um mundo que nunca imaginamos”, disse o pesquisador chefe, neurocientista Henry Markram, do instituto EPFL na Suíça, na época.
“Existem dezenas de milhões desses objetos, mesmo em um pequeno ponto do cérebro, em sete dimensões. Em algumas redes, encontramos estruturas com até 11 dimensões”.
Só para ficar claro – não é assim que você pensaria das dimensões espaciais (nosso Universo tem três dimensões espaciais mais uma dimensão do tempo); em vez disso, refere-se à maneira como os pesquisadores analisaram as panelinhas de neurônios para determinar como estão conectadas.
“As redes são frequentemente analisadas em termos de grupos de nós que estão conectados a todos, conhecidos como panelinhas. O número de neurônios em uma camarilha determina seu tamanho ou, mais formalmente, sua dimensão”, explicaram os pesquisadores no artigo de 2017. .
Estima-se que os cérebros humanos tenham 86 bilhões de neurônios, com múltiplas conexões de cada célula em todas as direções possíveis, formando a vasta rede celular que de alguma forma nos torna capazes de pensar e consciência.
Com um número tão grande de conexões para trabalhar, não é de admirar que ainda não tenhamos um entendimento completo de como a rede neural do cérebro opera.
Mas a estrutura matemática construída pela equipe nos leva um passo mais perto de um dia ter um modelo de cérebro digital.
Para realizar os testes matemáticos, a equipe usou um modelo detalhado do neocórtex que a equipe do Blue Brain Project publicou em 2015.
Pensa-se que o neocórtex seja a parte evoluída mais recentemente de nossos cérebros e a parte envolvida em algumas de nossas funções de ordem superior, como cognição e percepção sensorial.
Depois de desenvolver sua estrutura matemática e testá-la em alguns estímulos virtuais, a equipe também confirmou seus resultados em tecido cerebral real em ratos.
Segundo os pesquisadores, a topologia algébrica fornece ferramentas matemáticas para discernir detalhes da rede neural, tanto em uma visão aproximada ao nível dos neurônios individuais, quanto em uma escala maior da estrutura do cérebro como um todo.
Ao conectar esses dois níveis, os pesquisadores puderam discernir estruturas geométricas de alta dimensão no cérebro, formadas por coleções de neurônios (cliques) fortemente conectados e os espaços vazios (cavidades) entre eles.
“Encontramos um número e variedade notavelmente altos de cliques e cavidades direcionadas de alta dimensão, que nunca haviam sido vistas em redes neurais, biológicas ou artificiais”, escreveu a equipe no estudo.
“A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo”, disse um dos matemáticos Kathryn Hess, da EPFL.
“Ele pode ampliar as redes para encontrar estruturas ocultas, as árvores na floresta e ver os espaços vazios, as clareiras, tudo ao mesmo tempo.”
Essas clareiras ou cáries parecem ser extremamente importantes para a função cerebral. Quando os pesquisadores deram um estímulo ao seu tecido cerebral virtual, eles viram que os neurônios estavam reagindo a ele de uma maneira altamente organizada.
“É como se o cérebro reagisse a um estímulo construindo [e] arrasando uma torre de blocos multidimensionais, começando com hastes (1D), depois pranchas (2D), depois cubos (3D) e depois geometrias mais complexas com 4D, 5D, etc “, disse um dos membros da equipe, o matemático Ran Levi, da Universidade de Aberdeen, na Escócia.
“A progressão da atividade através do cérebro se assemelha a um castelo de areia multidimensional que se materializa na areia e depois se desintegra.”
Essas descobertas fornecem uma nova e tentadora imagem de como o cérebro processa as informações, mas os pesquisadores apontam que ainda não está claro o que faz com que os cliques e cavidades se formem de maneiras altamente específicas.
E mais trabalho será necessário para determinar como a complexidade dessas formas geométricas multidimensionais formadas por nossos neurônios se correlaciona com a complexidade de várias tarefas cognitivas.
Mas essa definitivamente não é a última vez que ouviremos informações que a topologia algébrica pode nos dar sobre esse mais misterioso dos órgãos humanos – o cérebro.
O estudo foi publicado na Frontiers of Computational Neuroscience.
Artigo original: https://www.sciencealert.com/scientists-find-evidence-the-human-brain-can-create-structures-in-up-to-11-dimensions e https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncom.2017.00048/full
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