Pode ser muito informativo observar os pixels do seu telefone sob um microscópio, mas não se o seu objetivo for entender o que um vídeo inteiro mostra na tela. A cognição é praticamente o mesmo tipo de propriedade emergente no cérebro.  Só pode ser compreendido observando como milhões de células agem em coordenação, argumenta um trio de neurocientistas do MIT. Num novo artigo ,  eles apresentam uma estrutura para compreender como o pensamento surge da coordenação da atividade neural impulsionada por campos elétricos oscilantes – também conhecidos como “ondas” ou “ritmos” cerebrais.

Historicamente descartados apenas como subprodutos da atividade neural, os ritmos cerebrais são, na verdade, críticos para organizá-la, escrevem o professor Earl Miller da Picower e os cientistas pesquisadores Scott Brincat e Jefferson Roy em  Current Opinion in Behavioral Science . E embora os neurocientistas tenham adquirido um enorme conhecimento ao estudar como as células cerebrais individuais se conectam e como e quando emitem “picos” para enviar impulsos através de circuitos específicos, há também uma necessidade de apreciar e aplicar novos conceitos na escala de ritmo cerebral, que pode abranger regiões cerebrais individuais ou mesmo múltiplas.

“Spiking e anatomia são importantes, mas há mais coisas acontecendo no cérebro além disso”, diz o autor sênior Miller, membro do corpo docente do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória e do Departamento de Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT. “Há muitas funcionalidades ocorrendo em um nível superior, especialmente a cognição.”

Os riscos de estudar o cérebro nessa escala, escrevem os autores, podem incluir não apenas a compreensão da função saudável de nível superior, mas também como essas funções são interrompidas na doença.

“Muitos distúrbios neurológicos e psiquiátricos, como esquizofrenia, epilepsia e Parkinson, envolvem perturbações de propriedades emergentes como a sincronia neural”, escrevem eles. “Prevemos que compreender como interpretar e interagir com essas propriedades emergentes será fundamental para o desenvolvimento de tratamentos eficazes, bem como para a compreensão da cognição.”

A ponte entre a escala dos neurônios individuais e a coordenação em escala mais ampla de muitas células baseia-se em campos elétricos, escrevem os pesquisadores. Por meio de um fenômeno denominado “acoplamento efáptico”, o campo elétrico gerado pela atividade de um neurônio pode influenciar a voltagem dos neurônios vizinhos, criando um alinhamento entre eles. Desta forma, os campos elétricos refletem a atividade neural e também a influenciam. Num  artigo publicado em 2022, Miller e colegas mostraram, através de experiências e modelação computacional, que a informação codificada nos campos eléctricos gerados por conjuntos de neurónios pode ser lida de forma mais fiável do que a informação codificada pelos picos de células individuais. Em 2023, o laboratório de Miller forneceu evidências de que campos elétricos rítmicos podem  coordenar memórias  entre regiões.

Nesta escala maior, em que os campos elétricos rítmicos transportam informações entre regiões cerebrais, o laboratório de Miller publicou numerosos estudos mostrando que os ritmos de frequência mais baixa na chamada banda “beta” se originam em camadas mais profundas do córtex cerebral e  parecem regular  o poder de ritmos “gama” de frequência mais rápida em camadas mais superficiais. Ao registrar a atividade neural nos cérebros de animais envolvidos em jogos de memória de trabalho, o laboratório mostrou que os ritmos beta transportam sinais “de cima para baixo” para controlar quando e onde os ritmos gama podem codificar informações sensoriais, como as imagens que os animais precisam para lembre-se no jogo.

Algumas das evidências mais recentes do laboratório sugerem que os ritmos beta aplicam esse controle dos processos cognitivos a áreas físicas do córtex, agindo essencialmente como estênceis que definem onde e quando o gama pode codificar informações sensoriais na memória ou recuperá-las. De acordo com esta teoria, que Miller chama de “ computação espacial ”, o beta pode assim estabelecer as regras gerais de uma tarefa (por exemplo, as voltas necessárias para abrir uma fechadura de combinação), mesmo que o conteúdo específico da informação possa mudar. (por exemplo, novos números quando a combinação muda). De forma mais geral, esta estrutura também permite que os neurônios codifiquem de forma flexível mais de um tipo de informação por vez, escrevem os autores, uma propriedade neural amplamente observada chamada “seletividade mista”. Por exemplo, um neurônio que codifica um número da combinação de bloqueio também pode ser atribuído, com base no patch com estêncil beta em que ele se encontra, a etapa específica do processo de desbloqueio para a qual o número é importante.

No novo estudo, Miller, Brincat e Roy sugerem outra vantagem consistente com o facto de o controlo cognitivo ser baseado numa interação de atividade rítmica coordenada em grande escala: a “codificação subespacial”. Esta ideia postula que os ritmos cerebrais organizam o enorme número de resultados possíveis que poderiam resultar de, digamos, 1.000 neurónios envolvidos em atividades de picos independentes. Em vez de todas as muitas possibilidades combinatórias, surgem na verdade muito menos “subespaços” de atividade, porque os neurônios são coordenados, em vez de independentes. É como se o aumento dos neurônios fosse como um bando de pássaros coordenando seus movimentos. Diferentes fases e frequências de ritmos cerebrais fornecem essa coordenação, alinhadas para amplificar umas às outras, ou compensadas para evitar interferências. Por exemplo, se uma informação sensorial precisa ser lembrada, a atividade neural que a representa pode ser protegida de interferências quando uma nova informação sensorial é percebida.

“Assim, a organização das respostas neurais em subespaços pode segregar e integrar informações”, escrevem os autores.

O poder dos ritmos cerebrais de coordenar e organizar o processamento de informações no cérebro é o que permite que a cognição funcional surja nessa escala, escrevem os autores. Compreender a cognição no cérebro, portanto, requer o estudo dos ritmos.

“O estudo isolado de componentes neurais individuais – neurônios e sinapses individuais – fez enormes contribuições para a nossa compreensão do cérebro e continua sendo importante”, concluem os autores. “No entanto, está se tornando cada vez mais claro que, para capturar totalmente a complexidade do cérebro, esses componentes devem ser analisados em conjunto para identificar, estudar e relacionar as suas propriedades emergentes.”