Saúde

Redes cerebrais fractais suportam pensamentos complexos
O cérebro contém aproximadamente 100 bilhões de neurônios que coordenam a atividade por meio de 100 trilhões de conexões, e essas conexões são organizadas em redes que costumam ser semelhantes de uma pessoa para outra.
Por Dartmouth College - 30/09/2021


Ampliado em detalhes do conjunto de Mandelbrot, um famoso fractal, em diferentes escalas espaciais de 1x, 4x, 16x e 64x (da esquerda para a direita). Crédito: Jeremy R. Manning.

Compreender como o cérebro humano produz pensamentos complexos é assustador devido à sua complexidade e escala. O cérebro contém aproximadamente 100 bilhões de neurônios que coordenam a atividade por meio de 100 trilhões de conexões, e essas conexões são organizadas em redes que costumam ser semelhantes de uma pessoa para outra. Um estudo de Dartmouth descobriu uma nova maneira de olhar as redes cerebrais usando a noção matemática de fractais, para transmitir padrões de comunicação entre diferentes regiões cerebrais enquanto as pessoas ouviam uma história curta. Os resultados são publicados na Nature Communications .

"Para gerar nossos pensamentos, nossos cérebros criam essa incrível tempestade de raios de padrões de conexão", disse o autor sênior Jeremy R. Manning, professor assistente de psicologia e ciências do cérebro e diretor do Laboratório de dinâmica contextual em Dartmouth. "Os padrões são lindos, mas também são incrivelmente complicados. Nossa estrutura matemática nos permite quantificar como esses padrões se relacionam em escalas diferentes e como eles mudam com o tempo."

No campo da geometria, os fractais são formas que parecem semelhantes em diferentes escalas. Dentro de um fractal, formas e padrões são repetidos em uma cascata infinita, como espirais compostas por espirais menores que, por sua vez, são compostas por espirais ainda menores, e assim por diante. O estudo de Dartmouth mostra que as redes cerebrais se organizam de maneira semelhante: os padrões de interações cerebrais são espelhados simultaneamente em diferentes escalas. Quando as pessoas se envolvem em pensamentos complexos, suas redes parecem se organizar espontaneamente em padrões do tipo fractal. Quando esses pensamentos são interrompidos, os padrões fractais se tornam embaralhados e perdem sua integridade.

Os pesquisadores desenvolveram uma estrutura matemática que identifica semelhanças nas interações de rede em diferentes escalas ou "ordens". Quando as estruturas cerebrais não exibem nenhum padrão consistente de interação, a equipe se refere a isso como um padrão de "ordem zero". Quando pares individuais de estruturas cerebrais interagem, isso é chamado de padrão de "primeira ordem". Os padrões de "segunda ordem" referem-se a padrões semelhantes de interações em diferentes conjuntos de estruturas cerebrais, em diferentes escalas. Quando os padrões de interação se tornam fractais - "de primeira ordem" ou superior - a ordem denota o número de vezes que os padrões são repetidos em escalas diferentes.

Quando as pessoas ouvem uma história, suas interações com a rede cerebral se organizam
em fractais. Os padrões em pequena escala (ordem 1 e 2) envolvem áreas auditivas e de
processamento (amarelo). Padrões de escala maior (ordem 3) empatam em áreas visuais
(azul). As interações em maior escala (ordem 4) também estão ligadas a regiões do cérebro
que suportam cognição de alto nível (rosa) e controle cognitivo (verde). Os ovais
laranja e ciano denotam agrupamentos de regiões de baixo e
alto nível, respectivamente. Crédito: Jeremy R. Manning.

O estudo mostra que quando as pessoas ouviam uma gravação de áudio de uma história de 10 minutos, suas redes cerebrais se organizavam espontaneamente em padrões de rede de quarta ordem. No entanto, essa organização foi interrompida quando as pessoas ouviram as versões alteradas da gravação. Por exemplo, quando os parágrafos da história eram embaralhados aleatoriamente, preservando parte do significado da história, mas não todo, as redes cerebrais das pessoas exibiam apenas padrões de segunda ordem. Quando todas as palavras da história foram embaralhadas, isso interrompeu todos os padrões, exceto o nível mais baixo (ordem zero).
 
"Quanto mais refinada a história foi embaralhada, mais as estruturas fractais dos padrões de rede foram interrompidas", disse a primeira autora Lucy Owen, uma estudante de graduação em ciências psicológicas e do cérebro em Dartmouth. "Uma vez que as interrupções nesses padrões fractais pareciam diretamente ligadas a quão bem as pessoas entendiam a história, esta descoberta pode fornecer pistas sobre como nossas estruturas cerebrais trabalham juntas para entender o que está acontecendo na narrativa."

Os padrões de rede fractal eram surpreendentemente semelhantes entre as pessoas: os padrões de um grupo podiam ser usados ​​para estimar com precisão que parte da história outro grupo estava ouvindo.

A equipe também estudou quais estruturas cerebrais estavam interagindo para produzir esses padrões fractais . Os resultados mostram que as interações de menor escala (primeira ordem) ocorreram em regiões do cérebro que processam sons brutos. As interações de segunda ordem vincularam esses sons brutos às regiões de processamento da fala, e as interações de terceira ordem vincularam as áreas do som e da fala a uma rede de regiões de processamento visual. As interações em maior escala (quarta ordem) vinculavam essas redes sensoriais auditivas e visuais a estruturas cerebrais que suportam o pensamento de alto nível. De acordo com os pesquisadores, quando essas redes se organizam em várias escalas, isso pode mostrar como o cérebro processa informações sensoriais brutas em pensamentos complexos - de sons brutos à fala, à visualização e à compreensão total.

A estrutura computacional dos pesquisadores também pode ser aplicada a áreas além da neurociência e a equipe já começou a usar uma abordagem análoga para explorar as interações nos preços das ações e padrões de migração animal.

 

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