Como os cérebros são mais complexos do que sugere a anatomia

Como os cérebros são mais complexos do que sugere a anatomia Os cientistas ainda estão montando o quebra-cabeça de como o cérebro funciona. Yuichiro Chino / Momento via Getty Images

Como o cérebro funciona permanece um quebra-cabeça com apenas algumas peças no lugar. Destas, uma grande parte é na verdade uma conjectura: que existe uma relação entre o estrutura física do cérebro e sua funcionalidade.

Os trabalhos do cérebro incluem interpretação de toques, entradas visuais e sonoras, bem como fala, raciocínio, emoções, aprendizado, controle fino dos movimentos e muitos outros. Os neurocientistas presumem que é a anatomia do cérebro - com centenas de bilhões de fibras nervosas - que possibilita todas essas funções. Os "fios vivos" do cérebro estão conectados em elaboradas redes neurológicas que dão origem às incríveis habilidades dos seres humanos.

Parece que, se os cientistas puderem mapear as fibras nervosas e suas conexões e registrar o tempo dos impulsos que fluem através delas para uma função superior, como a visão, devem ser capazes de resolver a questão de como se vê, por exemplo. Os pesquisadores estão melhorando no mapeamento do cérebro usando tractografia - uma técnica que representa visualmente as rotas das fibras nervosas usando modelagem 3D. E eles estão melhorando o registro de como as informações se movem através do cérebro usando imagens de ressonância magnética funcional aprimoradas para medir o fluxo sanguíneo.

Mas, apesar dessas ferramentas, ninguém parece muito mais perto de descobrir como realmente vemos. A neurociência tem apenas um entendimento rudimentar de como tudo se encaixa.

Para lidar com essa falha, pesquisa de bioengenharia da minha equipe concentra-se nas relações entre estrutura e função cerebral. O objetivo geral é explicar cientificamente todas as conexões - anatômicas e sem fio - que ativam diferentes regiões do cérebro durante tarefas cognitivas. Estamos trabalhando em modelos complexos que capturam melhor o que os cientistas sabem sobre a função cerebral.

Em última análise, uma imagem mais clara da estrutura e função pode ajustar as maneiras pelas quais a cirurgia cerebral tenta corrigir a estrutura e, inversamente, a medicação tenta corrigir a função.

Como os cérebros são mais complexos do que sugere a anatomia As conexões elétricas de campo próximo fornecem outro nível de comunicação dentro do cérebro. PM Images / Stone via Getty Images


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Pontos quentes sem fio em sua cabeça

Funções cognitivas, como raciocínio e aprendizado, usam várias regiões cerebrais distintas de maneira sequencial. A anatomia sozinha - os neurônios e as fibras nervosas - não pode explicar a excitação dessas regiões, simultaneamente ou em conjunto.

Algumas conexões são realmente "sem fio". Esses são conexões elétricas de campo próximo, e não as conexões físicas capturadas nos tractografos.

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Minha equipe de pesquisa trabalha há vários anos detalhando as origens dessas conexões sem fio e medindo suas forças de campo. Uma analogia muito simples do que está acontecendo no cérebro é como um roteador sem fio funciona. A internet é entregue a um roteador através de uma conexão com fio. O roteador envia as informações para o seu laptop usando conexões sem fio. O sistema geral de transferência de informações funciona devido às conexões com e sem fio.

Como os cérebros são mais complexos do que sugere a anatomia Os campos elétricos resultam de partículas carregadas que fluem para dentro e para fora dos neurônios em seus nós não isolados de Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus

No caso do cérebro, as células nervosas conduzem impulsos elétricos por longos braços semelhantes a fios chamados axônios do corpo celular para outros neurônios. Ao longo do caminho, os sinais sem fio são emitidos naturalmente a partir de partes não isoladas das células nervosas. Esses pontos que não possuem o isolamento protetor que envolve o resto do axônio são chamados Nódulos de Ranvier.

Os nós de Ranvier permitem que os íons carregados se difundam dentro e fora do neurônio, propagando o sinal elétrico pelo axônio. À medida que os íons entram e saem, são gerados campos elétricos. A intensidade e a estrutura desses campos dependem da atividade da célula nervosa.

Aqui no Centro Global de Redes Neurológicas estamos nos concentrando em como esses sinais sem fio funcionam no cérebro para comunicar informações.

O mundo não linear do cérebro

Investigações sobre como regiões do cérebro excitadas combinam com funções cognitivas cometem outro erro quando se baseiam em suposições que levam a modelos excessivamente simples.

Os pesquisadores tendem a modelar o relacionamento como linear com uma única variável, medindo o tamanho médio da resposta de uma única região cerebral. É a lógica por trás do desenho do primeiro aparelho auditivo - se a voz de uma pessoa cresce duas vezes mais alto, o ouvido deve responder duas vezes mais.

Como os cérebros são mais complexos do que sugere a anatomia Os usuários de aparelhos auditivos sabem que apenas dobrar a entrada sensorial é uma correção rudimentar. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus

Mas os aparelhos auditivos melhoraram bastante ao longo dos anos, à medida que os pesquisadores entendiam melhor que o ouvido não é um sistema linear e é necessária uma forma de compressão não linear para combinar os sons gerados com a capacidade do ouvinte. De fato, a maioria os seres vivos não têm sistemas sensoriais que respondem de maneira linear e individual a estímulos.

Os modelos lineares assumem que, se a entrada de um sistema for duplicada, a saída desse sistema também será duplicada. Isso não se aplica aos modelos não lineares, onde muitos valores de saída podem existir para o valor único da entrada. E a maioria dos cientistas concorda que cálculos neurais são de fato não-lineares.

Uma questão crucial para entender a ligação entre cérebro e comportamento é como o cérebro decide o melhor curso de ação entre alternativas concorrentes. Por exemplo, o córtex frontal do cérebro faz escolhas ótimas computando muitas quantidades ou variáveis - calcular o retorno potencial, a probabilidade de sucesso e o custo em termos de tempo e esforço. Como o sistema não é linear, dobrar o pagamento potencial pode tomar uma decisão final muito mais que o dobro da probabilidade.

O fluxo de informações através do cérebro é muito mais complexo e dinâmico do que um modelo 2D pode representar adequadamente.

Os modelos lineares perdem a rica variedade de possibilidades que podem ocorrer nas funções cerebrais, especialmente aquelas além do que a estrutura anatômica sugere. É como a diferença entre uma representação 2D e 3D do mundo ao nosso redor.

Os modelos lineares atuais apenas descrevem o nível médio de excitação em uma região do cérebro ou o fluxo através da superfície do cérebro. São muito menos informações do que meus colegas e eu usamos ao criar nossos modelos não-lineares a partir de imagens de ressonância magnética funcional aprimoradas e dados de bioimagem elétrica de campo próximo. Nossos modelos fornecem uma imagem 3D do fluxo de informações através das superfícies do cérebro e das profundidades dentro dele - e nos aproximam da representação de como tudo funciona.

Como os cérebros são mais complexos do que sugere a anatomia Um cérebro de aparência saudável pode ter problemas funcionais. Biblioteca de fotos da ciência via Getty Images

Anatomia normal, disfunção fisiológica

Minha equipe de pesquisa está intrigada com o fato de que pessoas com estruturas cerebrais de aparência totalmente normal ainda podem ter grandes problemas funcionais.

Como parte de nossa pesquisa sobre disfunção neurológica, visitamos indivíduos em hospícios, grupos de apoio ao luto, centros de reabilitação, centros de trauma e hospitais de cuidados agudos. Estamos constantemente surpresos ao perceber que as pessoas que perderam entes queridos podem apresentam sintomas semelhantes àqueles dos pacientes diagnosticados com doença de Alzheimer.

O luto é uma série de respostas emocionais, cognitivas, funcionais e comportamentais à morte ou a outros tipos de perda. Não é um estado, mas um processo que pode ser temporário ou contínuo.

Os cérebros de aparência saudável daqueles que sofrem sofrimento fisiológico não têm os mesmos problemas anatômicos - incluindo regiões cerebrais reduzidas e conexões interrompidas entre redes de neurônios - encontrados nas pessoas com doença de Alzheimer.

Acreditamos que este é apenas um exemplo de como os pontos quentes do cérebro - aquelas conexões que não são físicas - mais a riqueza da operação não-linear do cérebro podem levar a resultados que não seriam previstos por uma varredura cerebral. Provavelmente existem muitos outros exemplos.

Essas idéias podem apontar o caminho para a mitigação de condições neurológicas graves por meios não invasivos. Terapia de luto e dispositivos elétricos não invasivos de neuromodulação de campo próximo pode reduzir os sintomas associados à perda de um ente querido. Talvez esses protocolos e procedimentos devam ser mais amplamente oferecidos a pacientes que sofrem de disfunção neurológica, onde a imagem revela alterações anatômicas. Isso poderia salvar alguns desses indivíduos de procedimentos cirúrgicos invasivos.

A diagramação de todas as ligações não-físicas do cérebro usando nossos recentes avanços no mapeamento elétrico de campo próximo e empregando o que acreditamos ser modelos não-lineares com muitas variáveis ​​biologicamente realistas nos levará um passo mais perto de onde queremos ir. Uma melhor compreensão do cérebro não apenas reduzirá a necessidade de procedimentos operacionais invasivos para corrigir a função, mas também levará a melhores modelos para o que o cérebro faz melhor: computação, memória, rede e distribuição de informações.A Conversação

Sobre o autor

Salvatore Domenic Morgera, Professor de Engenharia Elétrica e Bioengenharia, Engenheiro Eminente Tau Beta Pi, University of South Florida

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.


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