Um time brasileiro de físicos analisou os cérebros de ratos e outros animais e descobriram a evidência mais forte que os cérebros atuam na beira entre dois modos de operação, um versátil e outro estado precário ou em modo “econômico” e “esportivo”, conhecido como criticidade. Ao mesmo tempo, as descobertas desafiam algumas das suposições originais desta controversa hipótese do “cérebro crítico”.
Compreender como as enormes redes de neurônios que compõem nossos órgãos mentais processam informações sobre o mundo é um mistério para os neurocientistas. Uma parte desse grande enigma é como a estrutura física singular pode ser preparada para lidar com as inúmeras demandas da vida. “Se o cérebro está completamente desordenado, ele não consegue processar informações”, explicou Mauro Copelli, físico da Universidade Federal de Pernambuco e coautor da nova pesquisa. “Se for programado demais, é muito rígido para lidar com a variabilidade do ambiente”.
Na década de 1990, o físico Per Bak formulou a hipótese de que o cérebro extraía sua bagagem de truques da criticalidade. O conceito se origina no mundo da mecânica estatística, onde descreve um sistema de muitas partes oscilando entre a estabilidade e o caos. Considere um declive nevado no inverno. Os escorregadores de neve no início da temporada são pequenos, enquanto as batidas das nevascas na temporada podem provocar avalanches. Em algum lugar entre essas fases de ordem e catástrofe, existe um monte particular de neve onde vale tudo: a perturbação seguinte pode começar a gotejar, uma avalanche ou algo entre os dois. Esses eventos não acontecem com igual probabilidade; em vez disso, pequenas cascatas ocorrem exponencialmente com mais freqüência do que cascatas maiores, que ocorrem exponencialmente com mais freqüência do que as maiores ainda, e assim por diante. Mas no “ponto crítico”, como os físicos chamam de configuração, os tamanhos e as frequências dos eventos têm uma relação exponencial simples. Bak argumentou que sintonizar apenas um ponto tão doce tornaria o cérebro um processador de informações capaz e flexível.
A ideia teve seus altos e baixos. A primeira evidência empírica para ela veio de fatias de cérebro de rato em 2003. John Beggs, um biofísico da Universidade de Indiana, descobriram que reações em cadeia de neurônios disparando, “avalanches neuronais”, veio em matrizes particulares, chamados de características de tamanhos de criticidade. Nomeadamente, qualquer tamanho era possível, mas – como um declive nevado no seu ponto crítico – a frequência das avalanches dependia exponencialmente do seu tamanho. Beggs argumentou que essa relação de “lei de poder” significava que a fatia do cérebro era fundamental, provocando uma enxurrada de pesquisas de acompanhamento. Os críticos, no entanto, mostraram que a alegação era prematura, como as leis de poder também aparecem em sistemas aleatórios – como as frequências de palavras produzidas por um macaco em uma máquina de escrever.
Os defensores enfrentaram outros dois enigmas: O chamado expoente crítico definir uma lei de potência – o número que indica, por exemplo, a proporção que avalanches menores ocorrem em relação aos maiores – variou pela instalação, desmentindo a noção de um mecanismo universal atrás de respostas do cérebro . Além disso, os experimentalistas encontraram sinais mais fortes de criticalidade nas ondas neurais sincronizadas, que ocorrem mais frequentemente durante o sono profundo, do que nos padrões de disparos mais dispersos dos cérebros animais em estado de alerta. Essa diferença intrigou os pesquisadores, que não previram uma relação entre criticidade e sincronicidade.
Para enfrentar esses desafios, Copelli e seus colaboradores usando ratos drogados com anestésico que permite às propriedades cerebrais oscilarem entre os extremos de sincronização, às vezes disparando de forma sincronizada típica do sono e outras vezes assemelhando-se aos cérebros acordados. Gravando os pontos de incremento de atividade neural no córtex visual primário com dezenas de sondas de metal, o grupo verificou que os tamanhos e as durações, e as relações entre os tamanhos e as durações, de avalanches neuronais todas as distribuições de lei de potência com ajuste com diferentes expoentes críticos – semelhante às descobertas de Beggs em 2003 em fatias cerebrais de ratos mortos.
Indo mais longe, porém, quando eles mostraram que os neurônios alimentados com um certo nível moderado de sincronicidade, esses três expoentes encaixam de acordo com uma simples equação. Esta relação entre os expoentes atingidos com o teste mais rigoroso para criticidade sugerida pela crítica em 2017. Os cérebros dos ratos anestesiados passaram a maior parte do seu tempo gasto perto deste estado, aparentemente pairando perto da linha divisória entre duas fases.
“É uma arma de fogo; você não pode mais escapar “, disse Beggs, que não estava envolvido na pesquisa. “É muito difícil dizer que isso é aleatório.”
Quando a equipe analisou em detalhe onde o ponto crítico caiu, no entanto, eles descobriram que eles não eram os cérebros de ratos equilibrados e na parte baixa entre as fases de alta atividade neuronal, como previsto pela hipótese original do cérebro crítico; Em vez disso, o ponto crítico aparecia separado para a fase em que os neurónios são disparados sincronizadamente e em fase, caracterizado pelo disparo dos neurónios em grande parte incoerentes. Essa distinção pode explicar a natureza hit-or-miss das pesquisas de criticalidade do passado. “O fato de que temos Reconciliados os dados da pesquisa aponta antes para algo realmente mais geral”, disse Peter Carelli, colega de Copelli e um co-autor da pesquisa, que apareceu na revista Physical Review Letters no final de maio.
Mas um cérebro anestesiado não é natural, de modo que os cientistas repetiram sua análise de dados pública sobre a atividade neural em ratos descrevendo-os vagueando livres. Eles novamente encontraram evidências de que o cérebro dos animais, por vezes experimentada criticidade satisfazer o novo padrão encontrado em 2017. No entanto, os ratos anestesiados, ao contrário desses, apresentam neurônios nos cérebros que passaram a maior parte seu tempo disparando de forma assíncrona – longe do ponto crítico da alegada semi sincronicidade
Copelli e Carelli reconhecem que isso representa um desafio para observação: a noção de que o cérebro prefere estar na proximidade do ponto crítico. Mas também sem correr o estresse que o animal acordado experimenta. Eles mesmos (o que não é proibitivamente caro), podem conclusivamente interpretar os dados do rato. sono de má qualidade durante o experimento, por exemplo, poderia ter influenciado o cérebro dos animais longe de criticidade, disse Copelli.
Ele e seus colegas também analisaram dados públicos sobre macacos e tartarugas. Embora esses conjuntos de dados tenham sido muito limitados para confirmar o relacionamento crítico com os três expoentes cheios, a equipe calculou a relação entre dois expoentes sob o poder de leis diferentes indicando a distribuição de tamanhos de avalanche e durações. Esta relação – o que representa como espalhar-se avalanches rapidamente – era sempre a mesma, independentemente de espécies e animais estava sob anestesia. “Para um físico, isso sugere algum tipo de mecanismo universal”, disse Copelli.
Alain Destexhe, do Centro Nacional de Pesquisas Científicas (CNRS) na França, o crítico que propõe a equação dos três expoentes como um teste de criticidade, chamou a universalidade dos resultados de “espantosos”, mas disse não ter certeza se significa o que dizem os críticos proponentes do cérebro. Ele ressalta que, como as avalanches em cérebros alertas se aproximam daquelas em cérebros sob anestesia profunda – quando elas não têm estímulos sensoriais – a criticidade pode não ter nada a ver com o modo como o cérebro processa informações, e poderia ser devido a algum outro aspecto da dinâmica cerebral.
Em seguida, a equipe brasileira espera estudar como as fases cerebrais sincrônicas e assíncronas se relacionam com o comportamento, um quebra-cabeças composto pelo fato de que surtos sincronizados são comuns durante o sono, mas também ocorrem em cérebros acordados.
Outra pesquisa ligou o sono com a restauração do cérebro desestabilizado ao seu ponto crítico, e Beggs acredita que estudos posteriores podem algum dia estabelecer conexões mais profundas entre a saúde mental e a física do cérebro. Mas primeiro, diz Copelli, o campo da criticalidade precisa abordar questões mais básicas. “A teoria atual não consegue explicar o resultado”, disse ele, referindo-se às novas descobertas de seus colegas, “de modo que abre a corrida novamente para os modelos”.
Publicado em 12/06/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/do-brains-operate-at-a-tipping-point-new-clues-and-complications-20190610/
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