doi.org/10.1038/s42005-024-01665-y
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#Cérebro
O cérebro exibe criticidade estrutural perto das transições de fase, consistente entre as espécies, potencialmente orientando o desenvolvimento de novos modelos cerebrais.
Quando um ímã é aquecido, ele atinge um ponto crítico onde perde a magnetização, conhecido como “criticidade”.
Este ponto de alta complexidade é alcançado quando um objeto físico está passando por uma transição de fase.
Recentemente, pesquisadores da Northwestern University descobriram que as características estruturais do cérebro residem perto de um ponto crítico semelhante – ou perto de uma transição de fase estrutural.
Estes resultados são consistentes em cérebros de humanos, ratos e moscas da fruta, o que sugere que a descoberta pode ser universal.
Embora ainda não esteja claro quais fases a estrutura do cérebro está em transição, essas descobertas podem permitir novos designs para modelos computacionais da complexidade do cérebro.
Estrutura cerebral e modelos computacionais
“O cérebro humano é um dos sistemas mais complexos conhecidos, e muitas propriedades dos detalhes que governam a sua estrutura ainda não são compreendidas”, disse o autor sênior István Kovács, professor assistente de física e astronomia na Northwestern.
“Vários outros pesquisadores estudaram a criticidade do cérebro em termos de dinâmica dos neurônios.
Mas estamos a olhar para a criticidade a nível estrutural, a fim de, em última análise, compreender como isto sustenta a complexidade da dinâmica cerebral.
Essa é uma peça que faltava na forma como pensamos sobre a complexidade do cérebro.
Ao contrário de um computador onde qualquer software pode ser executado no mesmo hardware, no cérebro a dinâmica e o hardware estão fortemente relacionados.” “A estrutura do cérebro a nível celular parece estar perto de uma transição de fase”, disse a primeira autora Helen Ansell, Tarbutton Fellow na Emory University que foi pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Kovács durante o estudo.
“Um exemplo cotidiano disso é quando o gelo derrete em água.
Ainda são moléculas de água, mas estão passando por uma transição de sólido para líquido.
Certamente não estamos dizendo que o cérebro está perto de derreter.
Na verdade, não temos como saber entre quais duas fases o cérebro pode estar em transição.
Porque se estivesse em ambos os lados do ponto crítico, não seria um cérebro.”
Aplicando a Física Estatística à Neurociência
Embora os pesquisadores tenham estudado há muito tempo a dinâmica do cérebro usando imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) e eletroencefalogramas (EEG), os avanços na neurociência só recentemente forneceram enormes conjuntos de dados para a estrutura celular do cérebro.
Esses dados abriram possibilidades para Kovács e sua equipe aplicarem técnicas de física estatística para medir a estrutura física dos neurônios.
Identificando expoentes críticos na estrutura cerebral
Kovács e Ansell analisaram dados disponíveis publicamente de reconstruções cerebrais em 3D de humanos, moscas-das-frutas e ratos.
Ao examinar o cérebro em resolução em nanoescala, os pesquisadores descobriram que as amostras apresentavam características de propriedades físicas associadas à criticidade.
Uma dessas propriedades é a conhecida estrutura fractal dos neurônios.
Esta dimensão fractal não trivial é um exemplo de um conjunto de observáveis, chamados “expoentes críticos”, que emergem quando um sistema está próximo de uma transição de fase.
As células cerebrais são organizadas em um padrão estatístico semelhante a um fractal em diferentes escalas.
Quando ampliadas, as formas fractais são “autossimilares”, o que significa que partes menores da amostra se assemelham à amostra inteira.
Os tamanhos dos vários segmentos de neurônios observados também são diversos, o que fornece outra pista.
De acordo com Kovács, a auto-similaridade, as correlações de longo alcance e as distribuições de tamanho amplo são todas assinaturas de um estado crítico, onde as características não são nem muito organizadas nem muito aleatórias.
Estas observações levam a um conjunto de expoentes críticos que caracterizam estas características estruturais.
“Essas são coisas que vemos em todos os sistemas críticos da física”, disse Kovács.
“Parece que o cérebro está num delicado equilíbrio entre duas fases.”
Criticidade universal entre espécies
Kovács e Ansell ficaram surpresos ao descobrir que todas as amostras de cérebro estudadas – de humanos, ratos e moscas da fruta – têm expoentes críticos consistentes em todos os organismos, o que significa que partilham as mesmas características quantitativas de criticidade.
As estruturas subjacentes e compatíveis entre os organismos sugerem que um princípio governante universal pode estar em jogo.
Suas novas descobertas poderiam ajudar a explicar por que os cérebros de diferentes criaturas compartilham alguns dos mesmos princípios fundamentais.
“Inicialmente, essas estruturas parecem bem diferentes – o cérebro de uma mosca inteira tem aproximadamente o tamanho de um pequeno neurônio humano”, disse Ansell.
“Mas então encontramos propriedades emergentes que são surpreendentemente semelhantes.” “Entre as muitas características que são muito diferentes entre os organismos, contamos com as sugestões da física estatística para verificar quais medidas são potencialmente universais, como os expoentes críticos.
Na verdade, estes são consistentes entre os organismos”, disse Kovács.
“Como um sinal ainda mais profundo de criticidade, os expoentes críticos obtidos não são independentes – de quaisquer três, podemos calcular o resto, conforme ditado pela física estatística.
Essa descoberta abre caminho para a formulação de modelos físicos simples para capturar padrões estatísticos da estrutura cerebral.
Esses modelos são entradas úteis para modelos cerebrais dinâmicos e podem ser inspiradores para arquiteturas de redes neurais artificiais.” No futuro, os investigadores planeiam aplicar as suas técnicas a novos conjuntos de dados emergentes, incluindo secções maiores do cérebro e mais organismos.
O seu objetivo é descobrir se a universalidade ainda se aplicará.
Publicado em 22/06/2024 00h15
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