A geometria oculta das conexões neuronais

Pesquisadores envolvidos no Human Brain Project fizeram uma descoberta significativa sobre a distribuição de neurônios no cérebro. Eles identificaram uma regra matemática que prevê essa distribuição em várias regiões cerebrais. Essa descoberta é fundamental para cientistas que buscam desenvolver modelos precisos para entender a funcionalidade cerebral e formular novos tratamentos para distúrbios neurológicos.

Em termos estatísticos, um conceito chave é a distribuição lognormal, frequentemente observada ao considerar o logaritmo de uma variável aleatória contínua. Essa distribuição é caracterizada por sua curva em forma de sino, que é notavelmente mais larga que uma distribuição normal. Ela é definida pela sua média e desvio padrão.

A equipe de pesquisa, composta por especialistas do Centro de Pesquisa de Jülich e da Universidade de Colônia, na Alemanha, observou que o número de neurônios nas camadas externas de tecido neural de diferentes mamíferos se conforma a uma distribuição lognormal. Esta abordagem matemática oferece uma nova perspectiva para examinar a estrutura cerebral.

Um aspecto notável desta distribuição é sua assimetria e cauda fortemente inclinada à direita. Isso se deve à prevalência de um grande número de valores pequenos e um menor número de valores significativamente grandes. Tal padrão de distribuição não é exclusivo para densidades neuronais; é também comumente visto em outras áreas, como a distribuição de tamanhos populacionais em vários países, onde algumas cidades são muito grandes e inúmeras cidades e vilarejos são comparativamente pequenos.

A importância do número de neurônios e sua disposição no cérebro não pode ser subestimada. A densidade de neurônios varia significativamente entre diferentes regiões e camadas do córtex cerebral, a camada externa de tecido neural. Essas variações na densidade de neurônios têm um impacto direto na conectividade de rede dentro do cérebro. Como explica Sacha van Albada, neurocientista no Centro de Pesquisa de Jülich, a distribuição das densidades neuronais influencia essa conectividade. Por exemplo, se a densidade de sinapses permanecer constante, regiões com menor densidade de neurônios terão mais sinapses por neurônio.

Apesar da importância dessas descobertas, as distribuições estatísticas gerais das densidades neuronais no cérebro ainda não são totalmente compreendidas. No entanto, a pesquisa atual lança luz sobre a composição celular de nossos cérebros.

A pesquisa utilizou nove conjuntos de dados de código aberto cobrindo sete espécies diferentes, incluindo camundongos, marmosetos, macacos-rhesus, galagos, macacos-prego, babuínos e humanos. A análise das densidades neuronais em várias regiões do córtex revelou um padrão consistente de distribuição lognormal nessas espécies.

Os pesquisadores observaram que muitas características do cérebro seguem distribuições lognormais. Essa distribuição é uma consequência natural de processos envolvendo multiplicação, semelhante a como a distribuição normal resulta da soma de muitas variáveis independentes. Alexander van Meegen, co-líder da pesquisa e candidato a PhD em neurociência computacional no Centro de Pesquisa de Jülich, observa que a distribuição lognormal é comum na natureza, frequentemente surgindo da multiplicação de muitas variáveis independentes.

A equipe de pesquisa contempla se a estrutura do córtex é apenas um subproduto do desenvolvimento ou da evolução não relacionado ao cálculo. No entanto, estudos anteriores sugerem que variações nas redes neurais do cérebro podem desempenhar um papel crucial em permitir que os animais aprendam em ambientes em mudança. A presença generalizada da distribuição lognormal em diferentes espécies e na maioria das partes do córtex sugere que ela serve a um propósito funcional.

Aitor Morales-Gregorio, neurocientista computacional e coautor principal no Centro de Pesquisa de Jülich, sugere que, embora o impacto exato da distribuição lognormal das densidades neuronais na função cerebral não seja totalmente claro, é provavelmente associado a uma alta heterogeneidade de rede. Esta heterogeneidade poderia ser computacionalmente vantajosa.

Espera-se que esta descoberta ilumine nosso entendimento sobre como o cérebro armazena e recupera informações e adquire novos conhecimentos. Ela também pode contribuir para o desenvolvimento de novos tratamentos para doenças cerebrais, focando em regiões cerebrais específicas.

O Human Brain Project, uma iniciativa de dez anos voltada para fomentar uma infraestrutura de pesquisa compartilhada para avançar em neurociência, computação e medicina relacionada ao cérebro, está se aproximando de sua conclusão.

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Fonte: Cerebral Cortex