A complexidade do cérebro humano está à beira do caos, dizem os físicos: WebCuriosos

O cérebro humano é disse ser o objeto mais complexo do Universo conhecido. Isso é 89 bilhões de neurônios cada uma tem cerca de 7.000 conexões em média, e a estrutura física de todas essas entidades pode estar precariamente equilibrada no fio da navalha, de acordo com um novo estudo.

Dois físicos da Northwestern University, nos EUA – Helen Ansell e István Kovács – usaram agora a física estatística para explicar a complexidade vista num mapa 3D altamente detalhado não apenas de parte de um cérebro humano, mas também de parte do cérebro de um rato e de uma mosca da fruta, como bem.

A nível celular, a sua estrutura sugere que o hardware de alto nível encerrado nos nossos crânios está num ponto estrutural ideal, próximo de uma transição de fase.

“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”, explica Ansell.

“Certamente não estamos dizendo que o cérebro está perto de derreter. Na verdade, não temos como saber entre quais duas fases o cérebro poderia estar em transição. não seja um cérebro.”

No passado, alguns cientistas suspeitaram que transições de fase desempenham um papel importante nos sistemas biológicos. A membrana que envolve as células é um bom exemplo. Essa bicamada lipídica flutua entre os estados gel e líquido para permitir a entrada e saída de proteínas e líquidos.

Em contraste, contudo, o sistema nervoso central pode oscilar num ponto crítico de transição, sem nunca se transformar realmente em outra coisa.

Uma característica comum deste ponto crítico é a estrutura semelhante a uma ramificação dos neurônios, conhecida como padrões fractais. Fractais, como aqueles vistos em flocos de neve, moléculasou a distribuição das galáxias, surgem na maioria complexo de sistemas. Na física, a dimensão fractal é um “expoente crítico” que fica no borda do caosentre ordem e desordem.

Ansell e Kovác argumentam agora que a presença de fractais em nanoescala em reconstruções cerebrais em 3D é um sinal desta “criticalidade”.

Devido às limitações de dados, a dupla só conseguiu analisar uma única região parcial do cérebro de um ser humano, um rato e uma mosca da fruta. No entanto, mesmo com esta imagem limitada, a equipe encontrou padrões semelhantes a fractais que pareciam semelhantes, independentemente de terem aumentado ou diminuído o zoom.

O tamanho relativo de vários segmentos de neurônios e sua diversidade parecem ser mantidos em escalas e espécies. Nem muito organizados nem muito aleatórios, os sistemas do cérebro estão perfeitamente corretos, equilibrando os custos da “fiação” neural com os requisitos das conexões de longa distância.

Este “efeito Cachinhos Dourados” poderia muito bem ser um princípio universal que rege todos os cérebros animais, argumentam Ansell e Kovács, embora provar que isso exigirá muito mais investigação.

“Inicialmente, essas estruturas parecem bem diferentes – o cérebro de uma mosca inteira tem aproximadamente o tamanho de um pequeno neurônio humano”, disse ele. diz Ansell. “Mas então encontramos propriedades emergentes que são surpreendentemente semelhantes.”

Mais estudos são agora necessários para determinar se essa criticidade partilhada existe em toda a escala do cérebro animal e entre várias espécies.

Embora estudos anteriores tenham analisado a criticidade do cérebro quando se trata de dinâmica de neurôniosaté recentemente não foi possível analisar e comparar a estrutura dos cérebros dos animais a nível celular.

É claro que ainda existem limitações de dados, mas atualmente há um esforço em larga escala na neurociência para mapear a anatomia e as conexões do cérebro em o máximo de detalhes possível.

UM único milímetro cúbico de um cérebro humano foi recentemente reconstruído e, no ano passado, conseguimos o primeiro mapa completo do cérebro de uma mosca-das-frutas, bem como um mapa celular do cérebro do rato.

“[The structural level] tem sido uma peça que faltava na forma como pensamos sobre a complexidade do cérebro”, diz físico István Kovács do Noroeste.

“Ao contrário de um computador onde qualquer software pode ser executado no mesmo hardware, no cérebro a dinâmica e o hardware estão fortemente relacionados”.

Ansell diz as descobertas da equipe “abrem o caminho” para um modelo físico simples que pode descrever padrões estatísticos do cérebro. Um dia, tal feito poderá ser usado para melhorar a pesquisa do cérebro e treinar sistemas de inteligência artificial.

O estudo foi publicado em Física das Comunicações.