Estudo Landmark: Forma e Função do Cérebro

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Estudo Landmark desafia paradigma centenário da neurociência: a
forma do cérebro pode superar a conectividade
O cérebro humano é composto por cerca de 86 bilhões de neurônios, ligados por trilhões de conexões. Durante
décadas, os cientistas acreditaram que precisamos mapear essa intrincada conectividade em detalhes para
entender como os padrões estruturados de atividade que definem nossos pensamentos, sentimentos e
comportamentos emergem.
Nosso novo estudo, publicado na Nature, desafia essa visão. Descobrimos que os padrões de atividade em nossos
neurônios são mais influenciados pela forma do cérebro – seus sulcos, contornos e dobras – do que por suas
interconexões complexas.
A visão convencional é que pensamentos ou sensações específicas provocam atividade em partes específicas do
cérebro. No entanto, nosso estudo revela padrões estruturados de atividade em quase todo o cérebro, relacionados
a pensamentos e sensações da mesma forma que uma nota musical surge de vibrações que ocorrem ao longo de
toda a duração de uma corda de violino, não apenas um segmento isolado.
A função segue a forma
Descobrimos essa estreita relação entre forma e função examinando os padrões naturais de excitação que podem
ser suportados pela anatomia do cérebro. Nesses padrões, chamados de “igenmodas”, diferentes partes do cérebro
são todas excitadas na mesma frequência.
Considere as notas musicais tocadas por uma corda de violino. As notas surgem de padrões vibracionais preferidos
da cadeia que ocorrem em frequências específicas e ressonantes. Esses padrões preferidos são os eigenmodes da
string. Eles são determinados pelas propriedades físicas da corda, como seu comprimento, densidade e tensão.
De forma semelhante, o cérebro tem seus próprios padrões preferidos de excitação, que são determinados por suas
propriedades anatômicas e físicas. Nós nos demos a identificar quais propriedades anatômicas específicas do
cérebro afetam mais fortemente esses padrões.
Um conto de dois cérebros
De acordo com a sabedoria convencional, a complexa teia de conexões do cérebro esculpe fundamentalmente sua
atividade.
Essa perspectiva vê o cérebro como uma coleção de regiões discretas, cada uma especializada para uma função
específica, como visão ou fala. Essas regiões se comunicam através de fibras interconectadas chamadas axônios.
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06098-1
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.0811168106
https://www.nature.com/articles/nature18933
https://www.nature.com/articles/nrn2575
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Modelos convencionais dividem o cérebro em uma teia de nós discretos. Nossa análise sugere que a atividade cerebral em larg
por ondas de excitação. (James Pang, autor fornecido)
Uma visão alternativa, incorporada por uma abordagem para modelar a atividade cerebral chamada teoria do campo
neural, evita essa divisão do cérebro em áreas discretas.
Essa visão se concentra em como as ondas de excitação celular se movem continuamente através do tecido
cerebral, como as ondulações formadas por gotas de chuva caindo em uma lagoa. Assim como a forma da lagoa
restringe os possíveis padrões formados pelas ondulações, os padrões de atividade ondulatórias são influenciados
pela forma tridimensional do cérebro.
Comparando as duas visões
Para comparar as duas visões do cérebro, testamos a facilidade com que a visão convencional e discreta e a visão
contínua baseada em ondas podem explicar mais de 10.000 mapas diferentes da atividade cerebral. Os mapas de
atividade foram obtidos a partir de milhares de experimentos de ressonância magnética funcional (fMRI) enquanto as
pessoas realizavam uma ampla gama de tarefas cognitivas, emocionais, sensoriais e motoras.
Tentamos descrever cada mapa de atividade usando eigenmodes com base na conectividade do cérebro e
eigenmodas com base na forma do cérebro. Descobrimos que os eigenmodes de forma cerebral – não
conectividade – oferecem a descrição mais precisa desses diferentes padrões de ativação.
Ondas cerebrais e icebergs
Usamos simulações de computador para confirmar que a estreita ligação entre a forma e a função do cérebro é
impulsionada pela atividade ondulatória que se propaga em todo o cérebro.
As simulações se basearam em um modelo de onda simples que é amplamente utilizado para estudar outros
fenômenos físicos, como terremotos e correntes oceânicas. O modelo usa apenas a forma do cérebro para restringir
a forma como as ondas evoluem através do tempo e do espaço.
https://images.theconversation.com/files/529081/original/file-20230530-23-x8028u.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip
https://mna.episciences.org/9228
https://www.nature.com/articles/nrn.2018.20
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811916300908
https://neurovault.org/
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Simulações de ondas no cérebro se assemelham a atividade real. (James Pang, autor
fornecido)
Apesar de sua simplicidade, esse modelo explicou melhor a atividade cerebral do que um modelo mais sofisticado e
de última geração que tenta capturar os principais detalhes fisiológicos da atividade neuronal e o intrincado padrão
de conectividade entre diferentes regiões do cérebro.
Também descobrimos que a maioria dos 10.000 mapas cerebrais diferentes que estudamos estava associada a
padrões de atividade abrangendo quase todo o cérebro. Este resultado novamente desafia a sabedoria convencional
de que a atividade durante as tarefas ocorre em regiões discretas e isoladas do cérebro. Na verdade, indica que as
abordagens tradicionais para o mapeamento cerebral só podem revelar a ponta do iceberg quando se trata de
entender como o cérebro funciona.
Juntos, nossas descobertas sugerem que os modelos atuais de função cerebral precisam ser atualizados. Em vez
de nos concentrarmos apenas em como os sinais passam entre regiões discretas, também devemos investigar como
as ondas de excitação viajam pelo cérebro.
Em outras palavras, as ondulações em uma lagoa podem ser uma analogia mais apropriada para a função cerebral
em larga escala do que uma rede de telecomunicações.
Uma nova abordagem para o mapeamento cerebral
Nossa abordagem baseia-se em séculos de trabalho em física e engenharia. Nesses campos, a função de um
sistema é entendida com relação às restrições impostas por sua estrutura, como incorporadas pelos próprios
poderes do sistema.
Esta abordagem não tem sido tradicionalmente usada na neurociência. Em vez disso, os métodos típicos de
mapeamento cerebral dependem de estatísticas complexas para quantificar a atividade cerebral sem qualquer
referência à base física e anatômica subjacente desses padrões.
O uso de eigenmodes oferece uma maneira de usar princípios físicos para entender como diversos padrões de
atividade surgem da anatomia do cérebro.
Nossa descoberta também oferece benefícios práticos imediatos, uma vez que os dispositivos de forma cerebral são
muito mais simples de quantificar do que os da conectividade cerebral.
Essa nova abordagem abre possibilidades para estudar como a forma cerebral afeta a função através da evolução,
desenvolvimento e envelhecimento, e em doenças cerebrais.
Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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https://www.jneurosci.org/content/34/23/7886
https://www.jneurosci.org/content/34/23/7886
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364661397010012
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/hbm.460020402
https://theconversation.com/
https://theconversation.com/have-we-got-the-brain-all-wrong-a-new-study-shows-its-shape-is-more-important-than-its-wiring-206573