O mistério de como os neurônios controlam o cérebro foi finalmente resolvido: WebCuriosos

O cérebro é uma maravilha de eficiência, aperfeiçoado por milhares de anos de evolução para que possa adaptar-se e prosperar num mundo em rápida mudança. No entanto, apesar de décadas de investigação, o mistério de como o cérebro consegue isto permanece indefinido.

Nosso nova pesquisa, publicada na revista Célularevela como os neurônios – as células responsáveis ​​pelas memórias, pensamentos e emoções da infância – coordenam sua atividade.

É um pouco como trabalhar em uma empresa de alto desempenho. Equilibrar as habilidades individuais com o trabalho em equipe é a chave para o sucesso, mas como alcançar o equilíbrio?

Acontece que o segredo do cérebro é surpreendentemente simples: dedicar não mais que metade (e não menos que 40%) do esforço de cada célula a tarefas individuais.

Para onde vai o resto do esforço? Rumo ao trabalho em equipe escalável.

E aqui está o chute: encontramos exatamente a mesma estrutura organizacional nos cérebros de cinco espécies – desde moscas-das-frutas e nematóides até peixes-zebra, ratos e macacos.

Estas espécies provêm de diferentes ramos da árvore da vida que estão separados por mais de um bilhões de anos de evoluçãosugerindo que podemos ter descoberto um princípio fundamental para o processamento otimizado de informações. Ele também oferece lições poderosas para qualquer sistema complexo atual.

O meio-termo crítico

Nossa descoberta aborda um problema de longa data debate sobre o cérebro: os neurônios agem como craques (cada um altamente especializado e eficiente) ou priorizam trabalho em equipe (garantir que todo o sistema funcione mesmo quando alguns elementos falham)?

Responder a esta pergunta tem sido um desafio. Até recentemente, as ferramentas da neurociência limitavam-se a registar a atividade de algumas células ou de vários milhões.

Seria como tentar compreender uma grande empresa entrevistando um punhado de funcionários ou recebendo apenas resumos de departamentos de alto nível. O meio-termo crítico estava faltando.

Porém, com os avanços imagem de cálcioagora podemos gravar sinais de dezenas de milhares de células simultaneamente. A imagem de cálcio é um método que nos permite observar a atividade neural em tempo real usando sensores fluorescentes que acendem de acordo com os níveis de cálcio na célula.

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Aplicando conhecimentos da minha formação em física para analisar conjuntos de dados em grande escala, descobrimos que a atividade cerebral se desenvolve de acordo com um hierarquia fractal.

As células trabalham juntas para construir redes maiores e coordenadas, criando uma organização em que cada escala reflete as que estão acima e abaixo.

Esta estrutura respondeu ao debate: o cérebro realmente faz ambos.

Equilibra individualidade e trabalho em equipe, e o faz de maneira inteligente. Aproximadamente metade do esforço vai para o desempenho “pessoal”, à medida que os neurônios colaboram em redes cada vez maiores.

O cérebro pode se adaptar rapidamente às mudanças

Para testar se a estrutura do cérebro tinha vantagens únicas, realizámos simulações computacionais, revelando que esta hierarquia fractal optimiza o fluxo de informação através do cérebro.

Permite que o cérebro faça algo crucial: adaptar-se às mudanças. Ele garante que o cérebro opere de forma eficiente, realizando tarefas com recursos mínimos e ao mesmo tempo permanecendo resiliente, mantendo a função mesmo quando os neurônios falham.

Esteja você navegando em um terreno desconhecido ou reagindo a uma ameaça repentina, seu cérebro processa e age rapidamente com base em novas informações. Os neurônios ajustam continuamente a sua coordenação, mantendo o cérebro estável o suficiente para pensamentos profundos, mas ágil o suficiente para responder a novos desafios.

A organização multiescala que encontramos permite diferentes estratégias – ou “códigos neurais” – para funcionar em diferentes escalas.

Por exemplo, descobrimos que o movimento do peixe-zebra depende de muitos neurônios trabalhando em uníssono. Este design resiliente garante que a natação continue sem problemas, mesmo em ambientes em rápida mudança.

Por outro lado, a visão do mouse se adapta à escala celular, permitindo a precisão necessária para extrair detalhes finos de uma cena. Aqui, se alguns neurônios perderem informações importantes, toda a percepção pode mudar – como quando uma ilusão de ótica engana seu cérebro.

As nossas descobertas revelam que esta coordenação fractal da actividade neuronal ocorre ao longo de um vasto período evolutivo: desde os vertebrados, cujo último ancestral comum viveu há 450 milhões de anos, até aos invertebrados, que datam de há mil milhões de anos.

Isto sugere que os cérebros evoluíram para equilibrar eficiência com resiliência, permitindo um processamento otimizado de informações e adaptabilidade a novas exigências comportamentais. A persistência evolutiva sugere que descobrimos um princípio fundamental de design.

Um princípio fundamental?

Estes são tempos emocionantes, à medida que a física e a neurociência continuam a interagir para descobrir as leis universais do cérebro, elaboradas ao longo de eras de seleção natural. Serão necessários trabalhos futuros para ver como estes princípios podem funcionar no cérebro humano.

Nossas descobertas também sugerem algo maior: essa regra simples de foco individual e trabalho em equipe escalonável pode não ser apenas uma solução para o cérebro.

Quando os elementos são organizados em redes hierárquicas, os recursos podem ser partilhados de forma eficiente e o sistema torna-se robusto contra perturbações.

As melhores empresas funcionam da mesma forma – quando surge um novo desafio, os indivíduos podem reagir sem esperar por instruções do seu gestor, permitindo-lhes resolver o problema enquanto permanecem rapidamente apoiados pela organização.

Pode ser um princípio universal alcançar resiliência e eficiência em sistemas complexos.

Parece uma lenda do basquete Michael Jordan tinha razão quando disse: “o talento ganha jogos, mas o trabalho em equipe e a inteligência ganham campeonatos”.

Brandon Robert MunnPesquisador de pós-doutorado, Universidade de Sydney

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.