No ano passado, os neurocientistas usaram um ramo clássico da matemática para abordar, de forma inovadora, a investigação da estrutura do nosso cérebro. Os cientistas descobriram que o cérebro está cheio de estruturas geométricas multidimensionais funcionando em até 11 dimensões.
“Encontramos um mundo que nunca imaginamos.”
Como o nosso cérebro pensa de 11D
O ser humano acostumou-se a pensar no mundo a partir de uma perspetiva 3D ou 4D. Agora que pensa nisso, poderá achar que é algo complicado, contudo, há um estudo que abre portas a informações importantes, para a compreensão do tecido do cérebro humano – a estrutura mais complexa que conhecemos.
Uma equipa de investigadores do Blue Brain Project, criou um modelo cerebral dedicado à reconstrução do cérebro humano suportado por um supercomputador. Os cientistas usaram topologia algébrica, um ramo da matemática usado para descrever as propriedades de objetos e espaços, independentemente de como eles mudam de forma.
Nesta investigação foi descoberto que grupos de neurónios ligam-se em “cliques”, e que o número de neurónios num grupo levaria ao seu tamanho como um objeto geométrico de alta dimensão (um conceito dimensional matemático, não um conceito espaço-temporal).
Encontramos um mundo que nunca havíamos imaginado. Há dezenas de milhões desses objetos, mesmo numa pequena partícula do cérebro, através de sete dimensões. Em algumas redes, encontramos estruturas com até 11 dimensões.
Referiu o responsável da investigação do neurocientista Henry Markram, do Instituto EPFL, na Suíça.
Para percebermos, nós, seres humanos, não pensamos desta forma nas dimensões espaciais (o nosso Universo tem três dimensões espaciais mais uma dimensão de tempo), em vez disso, refere-se a como os investigadores analisaram os cliques de neurónios para determinar como eles estão ligados.
As redes são frequentemente analisadas em termos de grupos de nós que estão todos ligados a todos, conhecidos como cliques. O número de neurónios num grupo determina o seu tamanho, ou mais formalmente, a sua dimensão.
O cérebro humano tem cerca de 86 mil milhões de neurónios
Com um número tão grande de ligação para trabalhar, não é de admirar que ainda não tenhamos uma compreensão completa de como funciona a rede neuronal do cérebro. Mas a estrutura matemática construída pela equipa leva-nos a um passo mais perto de termos um destes dias um modelo cerebral digital.
Para realizar os testes matemáticos, a equipa usou um modelo detalhado do Neocórtexque a equipa Blue Brain Project publicou em 2015.
O que é o Neocórtex?
Acredita-se que o Neocórtex seja a parte mais recentemente desenvolvida dos nossos cérebros e a envolvida em algumas das nossas funções de ordem superior, como cognição e perceção sensorial. Depois de desenvolver a sua estrutura matemática e testá-lo nalguns estímulos virtuais, a equipa também confirmou os seus resultados em tecido cerebral real dos ratos.
De acordo com os investigadores, a topologia algébrica fornece ferramentas matemáticas para discernir detalhes da rede neuronal tanto numa visão de perto no nível dos neurónios individuais, quanto numa escala maior da estrutura do cérebro como um todo.
Ao ligar estes dois níveis, os cientistas puderam discernir estruturas geométricas de alta dimensão no cérebro, formadas por ligações de neurónios fortemente interligados (cliques) e espaços vazios (cavidades) entre eles.
Encontramos um número e uma variedade notavelmente elevados de cliques e cavidades direcionadas de alta dimensão, que não haviam sido vistas antes em redes neuronais, biológicas ou artificiais.
A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo.
Referiu uma das equipas da EPFL.
O cérebro visto como “um castelo de areia”
Essas clareiras ou cavidades parecem ser criticamente importantes para a função cerebral. Quando os investigadores deram um estímulo ao tecido cerebral virtual, viram que os neurónios estavam a reagir de maneira altamente organizada.
Em termos de exemplo, é como se o cérebro reagisse a um estímulo construindo [e] destruindo uma torre de blocos multidimensionais, a começar pela armação (1D), depois as pranchas (2D), depois os cubos (3D) e geometrias mais complexas com 4D, 5D, etc…
A progressão da atividade através do cérebro assemelha-se a um castelo de areia multidimensional que se materializa a partir da areia e depois desintegra-se.
Estas descobertas fornecem uma nova imagem tentadora de como o cérebro processa informações, mas os investigadores referem que ainda há áreas pouco claras a explorar.
