Uma nova teoria, publicada no The Journal of Neuroscience por três cientistas do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória do MIT, oferece uma explicação de como o cérebro produz cognição e consciência: ele usa ondas viajantes de atividade neural rítmica para coordenar redes neurais ágeis com cálculos analógicos. 

A metáfora de que o cérebro opera com “circuitos” é incompleta, afirma o professor Earl K. Miller , da Cátedra Picower , autor sênior do artigo. Indubitavelmente, os circuitos fisicamente conectados do cérebro fornecem a infraestrutura para armazenar nossas memórias e representar nossas necessidades e objetivos contínuos. Mas quando precisamos usar esse conhecimento de forma improvisada no contexto sensorial acelerado e imprevisível que o mundo nos apresenta constantemente, não podemos simplesmente depender do processo químico relativamente lento de reconfiguração dessas conexões de circuito chamadas “sinapses”, explica ele. 

Em vez disso, o cérebro precisa de um sistema de controle que possa coordenar milhões de neurônios para processar informações em uma fração de segundo. As ondas cerebrais, há muito compreendidas como flutuações rítmicas sincronizadas de grandes grupos de neurônios, desempenham essa função crucial, argumentam Miller e seus colegas, citando anos de evidências experimentais de seu laboratório e de muitos outros.

“Circuitos e sinapses são importantes e fundamentais, esse é o ponto de partida. Mas há mais coisas envolvidas”, diz Miller, membro do corpo docente do Departamento de Ciências Cerebrais e Cognitivas do MIT. “O cérebro gera ondas, e a dinâmica das ondas é uma maneira altamente eficiente de coordenar e realizar cálculos.”

Enquanto os circuitos digitais realizam cálculos passo a passo por meio de interruptores e portas sequenciais, a computação analógica, que pode ser realizada através da interferência de ondas, processa múltiplos cálculos em paralelo. Isso não só é mais eficiente, como também as ondas viajantes com foco local são uma característica onipresente do cérebro, observam os cientistas.

“O cérebro explora sua própria física”, escreveram Miller e seus coautores Scott L. Brincat e Jefferson E. Roy, que são cientistas pesquisadores no laboratório de Miller.

A nova teoria é importante não apenas porque oferece uma explicação para a cognição e a consciência, mas também porque afirma a importância potencial de se considerar as ondas no tratamento clínico. Convenientemente, as ondas podem ser manipuladas de forma não invasiva.

“Desenvolver tratamentos baseados na dinâmica das ondas cerebrais não é apenas uma oportunidade, mas também uma obrigação”, afirma Miller, cujo laboratório faz parte de uma colaboração que estuda as ondas cerebrais no autismo .

Para demonstrar que o cérebro usa ondas para coordenar neurônios e produzir cognição e consciência, os cientistas partem da observação já bem estabelecida de que muitos neurônios não desempenham apenas uma função. Em vez disso, eles respondem a múltiplos estímulos e contextos, participando essencialmente de múltiplas redes funcionais simultaneamente, uma propriedade chamada “ seletividade mista ”. Miller e seus colegas argumentam há anos que isso confere ao cérebro uma imensa capacidade computacional, mas também levantou inicialmente a questão de como o cérebro organiza essas múltiplas redes sobrepostas com tanta rapidez e flexibilidade para produzir o pensamento ágil do qual todos dependemos.

Após inúmeros estudos, a resposta que emergiu para Miller e muitos outros neurocientistas é que as ondas cerebrais organizam conjuntos neurais para processar informações. Miller demonstrou que ondas cerebrais de diferentes frequências governam processos cognitivos como a memória de trabalho e a codificação preditiva. Ondas de frequência “alfa” e “beta”, relativamente lentas e que representam memórias e objetivos, regulam ondas de frequência “gama”, mais rápidas, que representam e transmitem informações sensoriais recebidas.

A nova teoria postula que essas ondas de controle alfa/beta emergem da atividade coordenada de neurônios em circuitos (conectados em junções chamadas "sinapses") que codificam memórias e objetivos armazenados. 

Em algumas das pesquisas mais recentes do laboratório de Miller, a equipe encontrou evidências de que, mesmo quando as ondas emergem dos potenciais de ação neuronal, elas podem crescer rapidamente para influenciar e coordenar diretamente esses potenciais por meio de um processo mediado por campo elétrico chamado acoplamento efáptico . É importante ressaltar que os campos elétricos podem exercer essa influência coordenadora muito rapidamente.

Outro componente essencial da teoria, que o laboratório de Miller também demonstrou experimentalmente, é que as ondas alfa/beta são capazes de exercer controle espacial , afetando áreas locais do córtex, e temporal, propagando-se ao longo do córtex . Essencialmente, as ondas beta atuam como estênceis móveis que governam onde e quando as ondas gama podem processar informações sensoriais e quais conjuntos de neurônios participarão. Em conjunto, isso sugere que o cérebro se envolve em "computação espaço-temporal", escrevem os autores. E onde as ondas se cruzam, elas podem somar e subtrair, possibilitando computações analógicas.

Miller reconhece que o próximo passo de seu laboratório deve ser fornecer evidências diretas de que os cálculos analógicos estão ocorrendo.

“Esta é uma teoria. Nosso objetivo é testá-la procurando por indícios de computação analógica em padrões de ondas cerebrais”, diz Miller. 

O artigo afirma que a consciência “emerge quando esses padrões de ondas dinâmicas levam o córtex a um estado organizado e globalmente integrado, que naturalmente conecta e influencia a atividade generalizada”.

Algumas das evidências mais convincentes que ligam a dinâmica das ondas cerebrais à consciência provêm de estudos sobre anestesia geral conduzidos por Miller em colaboração com Emery N. Brown, colega do Instituto Picower, professor do MIT, anestesiologista do Hospital Geral de Massachusetts e professor da Faculdade de Medicina de Harvard. Seus laboratórios demonstraram que três drogas diferentes, cada uma com mecanismos de ação molecular distintos, perturbam de forma semelhante a dinâmica das ondas cerebrais, induzindo a inconsciência.

“A consciência depende menos de receptores ou tipos celulares específicos e mais da integridade da organização de ondas em larga escala”, escrevem os autores na revisão.

Em outras palavras, assim como a cognição, a consciência depende de quão eficientemente o cérebro se organiza por meio das ondas cerebrais.

“A dinâmica do campo elétrico oferece um substrato de baixo custo para organizar e coordenar informações em redes corticais”, concluem os autores. “Dada a forte pressão evolutiva para maximizar a computação por unidade de energia, seria surpreendente se a evolução não explorasse esse substrato de computação analógica inato.”

A pesquisa foi financiada pela Freedom Together Foundation, pelo Picower Institute for Learning and Memory, pelo US Army Research Office, pelo US Office of Naval Research, por uma bolsa da MURI, pelos National Institutes of Health e pelo Simons Center for the Social Brain.