O cérebro humano constrói estruturas em 11 dimensões, descobrem cientistas

Océrebro continua a nos surpreender com sua magnífica complexidade. Pesquisas inovadoras que combinam neurociência com matemática nos dizem que nosso cérebro cria estruturas neurais com até 11 dimensões quando processa informações. Por “dimensões”, eles querem dizer espaços matemáticos abstratos, não outros reinos físicos. Ainda assim, os pesquisadores “encontraram um mundo que nunca havíamos imaginado”, disse Henry Markram , diretor do Blue Brain Project , que fez a descoberta.

O objetivo do Blue Brain Project, com sede na Suíça, é criar digitalmente uma simulação “biologicamente detalhada” do cérebro humano. Ao criar cérebros digitais com um nível “sem precedentes” de informações biológicas, os cientistas pretendem avançar nossa compreensão do intrincado cérebro humano, que tem cerca de 86 bilhões de neurônios .

Para ter uma visão mais clara de como essa imensa rede opera para formar nossos pensamentos e ações, os cientistas empregaram supercomputadores e um ramo peculiar da matemática. A equipe baseou sua pesquisa atual no modelo digital do neocórtex que terminou em 2015. Eles investigaram a maneira como esse neocórtex digital respondeu usando o sistema matemático da topologia algébrica. Isso lhes permitiupara determinar que nosso cérebro cria constantemente formas geométricas multidimensionais muito intrincadas e espaços que parecem “castelos de areia”.

Sem usar topologia algébrica, um ramo da matemática que descreve sistemas com qualquer número de dimensões, era impossível visualizar a rede multidimensional.

Utilizando a nova abordagem matemática, os pesquisadores foram capazes de ver o alto grau de organização no que antes pareciam padrões “caóticos” de neurônios.

“A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo. Ele pode ampliar as redes para encontrar estruturas ocultas – as árvores na floresta – e ver os espaços vazios – as clareiras – tudo ao mesmo tempo”, afirmou a autora do estudo, Kathryn Hess.”

Os cientistas primeiro realizaram testes no tecido cerebral virtual que criaram e depois confirmaram os resultados fazendo os mesmos experimentos em tecido cerebral real de ratos.

Quando estimulados, os neurônios virtuais formariam um clique , com cada neurônio conectado a outro de tal forma que um objeto geométrico específico seria formado. Um grande número de neurônios adicionaria mais dimensões, que em alguns casos chegavam a 11. As estruturas se organizariam em torno de um buraco de alta dimensão que os pesquisadores chamaram de “cavidade”. Depois que o cérebro processou a informação, o clique e a cavidade desapareceram.

Esquerda: cópia digital de uma parte do neocórtex, a parte mais evoluída do cérebro. À direita: formas de diferentes tamanhos e geometrias que representam estruturas que variam de 1 dimensão a 7 dimensões e mais. O “buraco negro” no meio simboliza um complexo de espaços multidimensionais, também conhecidos como cavidades.

O pesquisador Ran Levi detalhou como está funcionando esse processo:

“O aparecimento de cavidades de alta dimensão quando o cérebro está processando informações significa que os neurônios da rede reagem aos estímulos de maneira extremamente organizada. É como se o cérebro reagisse a um estímulo construindo e depois arrasando uma torre de blocos multidimensionais, começando com hastes (1D), depois pranchas (2D), depois cubos (3D) e depois geometrias mais complexas com 4D, 5D , etc. A progressão da atividade através do cérebro se assemelha a um castelo de areia multidimensional que se materializa na areia e depois se desintegra.”

O significado da descoberta está em nos permitir uma maior compreensão de “um dos mistérios fundamentais da neurociência – a ligação entre a estrutura do cérebro e como ele processa a informação”, elaborou Kathryn Hess em entrevista à Newsweek.

Os cientistas procuram usar a topografia algébrica para estudar o papel da “ plasticidade ”, que é o processo de fortalecimento e enfraquecimento das conexões neurais quando estimuladas – um componente-chave na forma como nossos cérebros aprendem. Eles vêem uma aplicação adicional de suas descobertas no estudo da inteligência humana e na formação de memórias.

A pesquisa foi publicada no Frontiers in Computational Neuroscience.

Big Think