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

Os trabalhos do cérebro incluem a interpretação do tato, entradas visuais e sonoras, assim como a fala, o raciocínio, as emoções, a aprendizagem, o controle fino do movimento e muitos outros. Neurocientistas presumem que é a anatomia do cérebro – com suas centenas de bilhões de fibras nervosas – que torna todas essas funções possíveis. Os “fios vivos” do cérebro estão conectados em elaboradas redes neurológicas que dão origem às incríveis capacidades dos seres humanos.

Parece que se os cientistas podem mapear as fibras nervosas e suas conexões e registrar o tempo dos impulsos que fluem através delas para uma função superior como a visão, eles devem ser capazes de resolver a questão de como se vê, por exemplo. Os pesquisadores estão ficando melhores no mapeamento do cérebro usando a tractografia – uma técnica que representa visualmente as rotas das fibras nervosas usando a modelagem 3D. E eles estão ficando melhores em registrar como a informação se move através do cérebro, usando ressonância magnética funcional aprimorada para medir o fluxo sanguíneo.

Mas apesar dessas ferramentas, ninguém parece muito mais próximo de descobrir como realmente vemos. A neurociência tem apenas uma compreensão rudimentar de como tudo se encaixa.

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

Ultimamente uma imagem mais clara da estrutura e função pode afinar as formas como a cirurgia cerebral tenta corrigir a estrutura e, inversamente, a medicação tenta corrigir a função.

Pontos quentes sem fios na cabeça

Funções cognitivas tais como raciocínio e aprendizagem usam uma série de regiões cerebrais distintas de uma forma sequenciada no tempo. Só a anatomia – os neurônios e as fibras nervosas – não podem explicar a excitação dessas regiões, concomitantemente ou em tandem.

Algumas conexões são na verdade “sem fio”. Estas são conexões elétricas próximas ao campo, e não as conexões físicas capturadas em tractográficos.

A minha equipe de pesquisa tem trabalhado por 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 então envia a informação para o seu laptop usando conexões sem fio. O sistema geral de transferência de informações funciona por causa das conexões com e sem fio.

No caso do cérebro, as células nervosas conduzem impulsos eléctricos através de longos braços em forma de fio chamados axónios do corpo celular para outros neurónios. Ao longo do caminho, sinais sem fio são naturalmente emitidos de porções não isoladas de células nervosas. Estes pontos que não possuem o isolamento protetor que envolve o resto do axônio são chamados de nós de Ranvier.

Os nós de Ranvier permitem que íons carregados se difundam para dentro e para fora do neurônio, propagando o sinal elétrico para baixo do axônio. Conforme os íons fluem para dentro e para fora, campos elétricos são gerados. A intensidade e a estrutura desses campos depende da atividade da célula nervosa.

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

O mundo não-linear do cérebro

Investigações sobre como as regiões excitadas do cérebro correspondem às funções cognitivas cometem outro erro quando se baseiam em suposições que levam a modelos demasiado simples.

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

Mas os aparelhos auditivos melhoraram muito ao longo dos anos, pois os pesquisadores passaram a entender melhor que o ouvido não é um sistema linear, e uma forma de compressão não-linear é necessária para combinar os sons gerados com a capacidade do ouvinte. Na verdade, a maioria dos seres vivos não tem sistemas de sensoriamento que respondam de forma linear, um-a-um aos estímulos.

Modelos lineares assumem que se a entrada para um sistema for duplicada, a saída desse sistema também será duplicada. Isto não é verdade para os modelos não lineares, onde muitos valores de saída podem existir para um único valor da entrada. E a maioria dos cientistas concorda que os 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 calculando muitas quantidades, ou variáveis – calculando o payoff potencial, a probabilidade de sucesso e o custo em termos de tempo e esforço. Como o sistema é não-linear, a duplicação do payoff potencial pode tomar uma decisão final muito mais que o dobro da probabilidade.

Os modelos lineares perdem a rica variedade de possibilidades que podem ocorrer na função cerebral, especialmente aquelas além do que a estrutura anatômica poderia sugerir. É como a diferença entre uma representação 2D e 3D do mundo ao nosso redor.

Modelos lineares atuais apenas descrevem o nível médio de excitação em uma região cerebral, ou o fluxo através de uma superfície cerebral. Isso é muito menos informação do que meus colegas e eu usamos quando construímos nossos modelos não lineares, tanto a partir de imagens de ressonância magnética funcional aprimorada quanto de dados de bioimagem elétrica próxima ao campo. Nossos modelos fornecem uma imagem 3D do fluxo de informação através das superfícies do cérebro e para as profundezas dentro dele – e nos aproximam da representação de como tudo funciona.

Anatomia normal, disfunção fisiológica

A minha equipe de pesquisa está intrigada com o fato de que pessoas com estruturas cerebrais totalmente normais ainda podem ter grandes problemas funcionais.

Como parte de nossa pesquisa sobre disfunção neurológica, visitamos indivíduos em hospícios, grupos de apoio de luto, instalações de reabilitação, centros de trauma e hospitais de cuidados agudos. Estamos constantemente assustados ao perceber que pessoas que perderam entes queridos podem apresentar sintomas semelhantes aos dos pacientes diagnosticados com o mal de Alzheimer.

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

Os cérebros saudáveis daqueles que sofrem de luto fisiológico não têm os mesmos problemas anatômicos – incluindo regiões cerebrais encolhidas e conexões interrompidas entre redes de neurônios – que se encontram naqueles das 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 um exame cerebral. Existem provavelmente muitos mais exemplos.

Estas ideias podem apontar o caminho para a atenuação de condições neurológicas graves através de meios não invasivos. A terapia do luto e os dispositivos de neuromodulação não invasivos e elétricos próximos ao campo podem reduzir os sintomas associados com a perda de um ente querido. Talvez esses protocolos e procedimentos devam ser mais amplamente oferecidos aos pacientes que sofrem de disfunção neurológica, onde a imagem revela alterações anatômicas. Isso poderia salvar alguns desses indivíduos de procedimentos cirúrgicos invasivos.

Diagramar todos os elos não-físicos do cérebro usando nossos recentes avanços no mapeamento elétrico próximo ao campo, e empregando o que acreditamos ser biologicamente realista muitos modelos não-lineares variáveis, nos aproximará um passo de onde queremos ir. Uma melhor compreensão do cérebro não só 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, redes e distribuição de informação.