É um grande esforço de imaginação tentar compreender o mundo em quatro dimensões para muitas pessoas, mas um novo estudo descobriu estruturas no cérebro com até onze dimensões – trabalho inovador que está começando a revelar segredos profundos da arquitetura do cérebro.
Usando topologia algébrica de uma forma que nunca foi usada antes na neurociência, a equipe do Blue Brain Project descobriu um universo de estruturas geométricas multidimensionais e espaços dentro das redes do cérebro.
A pesquisa, publicada na Frontiers in Computational Neuroscience, mostra que essas estruturas emergem quando um grupo de neurônios formam uma panelinha: cada neurônio se conecta à todos os outros neurônios do grupo de uma forma muito específica, que gera um objeto geométrico preciso. Quanto mais neurônios há em uma panelinha, maior é a dimensão do objeto geométrico.
“Encontramos um mundo que nunca tínhamos imaginado”, diz o neurocientista Henry Markram, diretor do Blue Brain Project e professor da EPFL em Lausanne, na Suíça. “Há dezenas de milhões desses objetos, mesmo em uma pequena parte do cérebro, até sete dimensões. Em algumas redes, até encontramos estruturas com até onze dimensões.”
Markram sugere que isso pode explicar por que tem sido tão difícil entender o cérebro. “A matemática usualmente aplicada para estudar redes não pode detectar grandes dimensões estruturais e espaços, que, agora, claramente podemos observar.”
Se os mundos 4D estendem a nossa imaginação, mundos com 5, 6 ou mais dimensões são demasiadamente complexos para a maioria de nós entender. É aqui que a topologia algébrica entra: um ramo da matemática que pode descrever sistemas com qualquer número de dimensões. Os matemáticos que levaram a topologia algébrica para o estudo de redes cerebrais no Blue Brain Project foram Kathryn Hess da EPFL e Ran Levi da Universidade de Aberdeen.
“A topologia algébrica é como um telescópio e um microscópio ao mesmo tempo. Pode ampliar as redes para encontrar estruturas ocultas – como árvores em florestas – e ver os espaços vazios – claramente – tudo ao mesmo tempo”, explica Hess.
Em 2015, o Blue Brain Project publicou a primeira cópia digital de uma peça do córtex cerebral – a parte mais evoluída do cérebro e o local onde reside nossas sensações, ações e consciência. Nesta pesquisa mais recente, usando topologia algébrica, vários testes foram realizados no tecido cerebral virtual para mostrar que as estruturas cerebrais multidimensionais descobertas nunca poderiam ser produzidas por acaso. Então, experimentos foram realizados em um tecido cerebral real no Blue Brain’s Wet Lab, em Lausanne, confirmando que as descobertas anteriores no tecido virtual são biologicamente relevantes, e, também, sugerindo que o cérebro constantemente se reconecta durante o desenvolvimento para construir uma rede com números cada vez maiores de estruturas possíveis em alta dimensão.
Quando os pesquisadores apresentaram o tecido cerebral virtual com um estímulo, grupos de dimensões progressivamente maiores reuniram-se momentaneamente para incluir buracos de alta dimensão, que os pesquisadores se referem como cavidades. “O aparecimento de cavidades de alta dimensão quando o cérebro está processando informações significa que os neurônios na rede reagem a estímulos de uma forma extremamente organizada”, diz Levi. “É como se o cérebro reagisse a um estímulo por edifício, em seguida, demolisse uma torre de blocos multidimensionais, começando com hastes (1D), depois, pranchas (2D), em seguida, cubos (3D), e, então, 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 fora da areia e depois se desintegra.”
A grande questão que esses pesquisadores estão enfrentando agora é se a complexidade das tarefas que podemos realizar depende da complexidade multidimensional dos ‘castelos de areia’ que o cérebro pode construir. A neurociência também tem lutado para descobrir onde o cérebro guarda suas memórias. “Eles podem se ‘esconder’ em cavidades de alta dimensão”, Markram especula.
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