Leituras pela manhã - O cérebro entre o caos e o cosmos

 

Um modelo de monte de de areia 255x255 que atingiu o estado crítico auto-organizado é perturbado pela adição de um único grão de areia no centro da grelha. Isto desencadeia uma sequência de colapsos subsequentes (por exemplo, uma avalanche) que se estendem por longas distâncias e por um longo intervalo.  — Jordan Elleenberg 

Na década de 1980, Per Bak, um físico dinamarquês, começou por se perguntar como é que a ordem requintada observada na natureza surge da mistura desordenada de partículas que constituem os blocos de construção da matéria. 

Encontrou uma resposta na transição de fase, o processo pelo qual um material se transforma de uma fase da matéria para outra. A mudança pode ser repentina, como a evaporação da água em vapor, ou gradual, como um material que se torna supercondutor. O momento preciso da transição - quando o sistema está a meio caminho entre uma fase e a outra - é chamado o ponto crítico, ou, mais coloquialmente, o "ponto de viragem". 

As transições de fase clássicas requerem o que é conhecido como afinação precisa: no caso da evaporação da água em vapor, o ponto crítico só pode ser alcançado se a temperatura e a pressão estiverem correctas. 

Porém, Bak propôs um meio através do qual interacções simples e locais entre os elementos de um sistema poderiam atingir espontaneamente esse ponto crítico - daí o termo "criticidade auto-organizada". Pense na areia que corre do topo de uma ampulheta para a base. Grão a grão, a areia acumula. Eventualmente, a pilha crescente chega a um ponto em que é tão instável que o grão seguinte a cair pode causar o seu colapso numa avalanche. 

Quando ocorre um colapso, a base alarga-se e a areia começa a acumular-se novamente - até que o monte volte a atingir o ponto crítico e se afunde. É através desta série de avalanches de vários tamanhos que a pilha de areia - um sistema complexo de milhões de elementos minúsculos - mantém a estabilidade global. 

Enquanto estas pequenas instabilidades paradoxalmente mantêm a pilha de areia estável, uma vez que a pilha atinge o ponto crítico, não há forma de saber se o próximo grão a cair causará uma avalanche - ou quão grande será uma tal avalanche. Tudo o que se pode dizer com certeza é que as avalanches menores ocorrerão com mais frequência do que as maiores, seguindo o que é conhecido como uma lei de poder.

Bak introduziu a criticidade auto-organizada num artigo histórico de 1987 - um dos mais citados artigos da física dos últimos 30 anos. Bak começou a ver o papel estabilizador de colapsos menores frequentes, para onde quer que olhasse. O seu livro de 1996, "How Nature Works", estendeu o conceito para além de simples pilhas de areia a outros sistemas complexos: terramotos, mercados financeiros, engarrafamentos, evolução biológica, distribuição de galáxias no universo - e o cérebro. A hipótese de Bak implica que, na maior parte das vezes, o cérebro se encontra à beira de uma transição de fase, pairando entre a ordem e a desordem.

O cérebro é uma máquina incrivelmente complexa. Cada uma das suas dezenas de biliões de neurónios está ligada a milhares de outros, e as suas interacções dão origem ao processo emergente a que chamamos "pensar". De acordo com Bak, a actividade eléctrica das células cerebrais desloca-se entre períodos de calma e avalanches - tal como os grãos de areia na sua pilha de areia - para que o cérebro esteja sempre equilibrado precariamente nesse ponto crítico.

Uma melhor compreensão destas dinâmicas críticas poderia lançar luz sobre o que acontece quando o cérebro funciona mal. A criticidade auto-organizada também é prometedora como um quadro teórico unificador. 

A criticidade auto-organizada tem um certo apelo intuitivo. Mas uma boa teoria científica deve ser mais do que elegante e bela. A noção de Bak tem tido muitos críticos, em parte porque a sua abordagem é ridiculamente abrangente: ele não viu nada de estranho em saltar através das fronteiras disciplinares e usar a criticidade auto-organizada para ligar a dinâmica dos incêndios florestais, sarampo e a estrutura em grande escala do universo - muitas vezes numa única conversa.  Lee Smolin, um físico do Instituto Perimeter de Física Teórica, no Canadá, chamou a isto, "simplicidade infantil", em vez de arrogância. 

No entanto, as ideias de Bak encontraram terreno fértil num punhado de cientistas com a mesma mentalidade. Chialvo, da Universidade da Califórnia, encontrou-se com Bak no Laboratório Nacional de Brookhaven por volta de 1990 e ficou convencido de que a criticidade auto-organizada poderia explicar a actividade cerebral. Também ele encontrou uma resistência considerável a essa ideia. "Tive de aturar uma série de críticos porque não tínhamos dados suficientes", disse Chialvo. 

Dietmar Plenz, um neurocientista do Instituto Nacional de Saúde Mental, recordou que era impossível ganhar uma bolsa em neurociência para trabalhar a criticidade auto-organizada na altura, dada a falta de provas experimentais.

Contudo, desde 2003, acumulam-se evidências que mostram que o cérebro exibe propriedades chave de criticidade - desde exames de cortes de tecido cortical e registos electroencefalográficos (EEG) das interacções entre neurónios individuais até estudos em grande escala comparando as previsões de modelos de computador com dados de imagens de ressonância magnética funcional (fMRI). "Agora o campo está suficientemente maduro para fazer frente a qualquer crítica justa", disse Chialvo.

Um dos primeiros testes empíricos do modelo de pilha de areia de Bak teve lugar em 1992, no departamento de física da Universidade de Oslo. Os físicos confinaram pilhas de arroz entre placas de vidro e acrescentaram grãos um de cada vez, capturando a dinâmica de avalanche resultante em câmara. Descobriram que as pilhas de grãos alongados de arroz comportavam-se muito como o modelo simplificado de Bak.

Mais notavelmente, as avalanches mais pequenas eram mais frequentes do que as maiores, seguindo a esperada distribuição da lei do poder. Ou seja, se houvesse 100 pequenas avalanches envolvendo apenas 10 grãos durante um determinado período de tempo, haveria 10 avalanches envolvendo 100 grãos no mesmo período, mas apenas uma única grande avalanche envolvendo 1.000 grãos. (O mesmo padrão tinha sido observado nos terramotos e nos seus abalos secundários. Se houver 100 tremores de terra de 6,0 na escala de Gutenberg-Richter num determinado ano, haverá 10 7,0 tremores de terra e um 8,0 tremor de terra).

Dez anos mais tarde, Plenz e um colega, John Beggs, agora biofísico da Universidade de Indiana, observaram o mesmo padrão de avalanches na actividade eléctrica dos neurónios em fatias corticais - a primeira peça chave de evidência de que o cérebro funciona em estado crítico. "Era algo que ninguém acreditava que o cérebro fizesse", disse Plenz. "A surpresa é que é exactamente isso que acontece". 

Estudos usando magnetoencefalografia (MEG) e o próprio trabalho de Chialvo comparando simulações de computador com dados de imagens fMRI do estado de repouso do cérebro têm desde então acrescentado à evidência de que o cérebro exibe estas principais dinâmicas de avalanche.

Mas talvez não seja assim tão surpreendente. Não pode haver transições de fase sem um ponto crítico, e sem transições, um sistema complexo - como a pilha de areia de Bak, ou o cérebro - não se pode adaptar. É por isso que as avalanches só aparecem no ponto crítico, um ponto ideal onde um sistema é perfeitamente equilibrado entre ordem e desordem, de acordo com Plenz. 

Ocorrem tipicamente quando o cérebro está no seu estado normal de repouso. As avalanches são um mecanismo através do qual um sistema complexo evita ficar preso, ou "bloqueado por fases", num de dois casos extremos. Num extremo, há demasiada ordem, tal como durante uma crise epiléptica; as interacções entre os elementos são demasiado fortes e rígidas, pelo que o sistema não se pode adaptar às condições em mudança. No outro, há demasiada desordem; os neurónios não comunicam tanto, ou não estão tão amplamente interligados por todo o cérebro, pelo que a informação não se pode espalhar tão eficientemente e, mais uma vez, o sistema é incapaz de se adaptar.

Um sistema complexo que paira entre "a aleatoriedade desinteressante e a regularidade desinteressante" é surpreendentemente estável em geral, disse Olaf Sporns, um neurocientista. "O tédio é mau", disse ele, pelo menos para um sistema crítico. 

De facto, "se tentarmos evitar alguma vez desencadear uma avalanche, eventualmente quando esta ocorrer, é provável que seja realmente grande", disse Raissa D'Souza, uma cientista de sistemas complexos da Universidade da Califórnia, Davis, que simulou um sistema tão genérico no ano passado. "Se se provocam avalanches o tempo todo, esgotou-se todo o combustível, por assim dizer, e por isso não há oportunidade para grandes avalanches".

A investigação de D'Souza aplica estas dinâmicas para compreender melhor as falhas de energia em toda a rede eléctrica. O cérebro também precisa de ordem suficiente para funcionar correctamente, mas também de flexibilidade suficiente para se adaptar às condições em mudança; caso contrário, o organismo não conseguiria sobreviver. Esta poderia ser uma das razões pelas quais o cérebro exibe marcas de criticidade auto-organizada: Confere uma vantagem evolutiva. "Um cérebro que não é crítico é um cérebro que faz exactamente a mesma coisa a cada minuto, ou, no outro extremo, é tão caótico que faz uma coisa completamente aleatória, quaisquer que sejam as circunstâncias", disse Chialvo. "Esse é o cérebro de um idiota".

Quando o cérebro se afasta da criticidade, a informação já não pode percolar através do sistema de forma tão eficiente. Um estudo (ainda não publicado) examinou a privação do sono; os sujeitos permaneceram acordados durante 36 horas e depois fizeram um teste de tempo de reacção enquanto um EEG monitorizava a sua actividade cerebral. Quanto mais o sujeito se privou do sono, mais a actividade cerebral da pessoa se desviou do ponto crítico de equilíbrio e pior foi o desempenho no teste.

Outro estudo recolheu dados de sujeitos epilépticos durante as convulsões. As gravações do EEG revelaram que, durante as convulsões, as avalanches reveladoras de criticidade desapareceram. Houve demasiada sincronização entre os neurónios, e depois, disse Plenz, "o processamento da informação avaria, as pessoas perdem a consciência, e não se lembram do que aconteceu até se recuperarem".

Chialvo prevê uma criticidade auto-organizada, fornecendo uma teoria mais ampla e fundamental para os neurocientistas, como as encontradas na física. Ele acredita que poderia ser usada para modelar a mente em todos os seus estados possíveis: acordada, adormecida, sob anestesia, sofrendo um ataque, e sob a influência de um medicamento psicadélico, entre muitos outros.

Isto é especialmente relevante à medida que a neurociência se aprofunda no domínio dos grandes dados. As mais recentes técnicas avançadas de imagem são capazes de mapear sinapses e monitorizar a actividade cerebral em resoluções sem precedentes, com uma explosão correspondente no tamanho dos conjuntos de dados. 

Biliões de dólares em financiamento de investigação lançou o Projecto Human Connectome - que visa construir um "mapa de rede" de vias neurais no cérebro - e a Investigação Cerebral Através do Avanço de Neurotecnologias Inovadoras (BRAIN), dedicada ao desenvolvimento de novas ferramentas tecnológicas para o registo de sinais a partir de células. 

Existe também o Projecto Cérebro Humano da Europa, que trabalha para simular o cérebro humano completo num supercomputador e o projecto Brainnetome da China para integrar dados recolhidos de todos os níveis da hierarquia do cérebro de redes complexas.

Mas sem uma teoria subjacente, será difícil recolher todos os potenciais insights escondidos nos dados. "É bom construir mapas e é bom catalogar peças e como estas estão relacionadas, desde que não se perca de vista o facto de que quando o sistema que se mapeia realmente funciona, está num sistema integrado e é dinâmico", disse Sporns.

"A estrutura do cérebro - o mapa preciso de quem se conecta com quem - é quase irrelevante por si só", disse Chialvo - ou melhor, é necessário mas não suficiente para decifrar como a cognição e o comportamento são gerados no cérebro. "O que é relevante é a dinâmica", disse Chialvo. 

Depois comparou o cérebro com um mapa de Los Angeles contendo detalhes de todas as ligações em todas as escalas, desde as entradas privadas até às auto-estradas públicas. O mapa diz-nos apenas sobre as ligações estruturais; não ajuda a prever como o tráfego se desloca ao longo dessas ligações ou onde (e quando) é provável que se forme um engarrafamento de trânsito. O mapa é estático; o tráfego é dinâmico. 

Assim, também é a actividade do cérebro. Em trabalhos recentes, disse Chialvo, os investigadores demonstraram que tanto a dinâmica do tráfego como a dinâmica do cérebro exibem uma criticidade.
Sporns enfatiza que ainda está por ver quão robusto este fenómeno pode ser no cérebro, salientando que é necessária mais evidência para além da observação das leis de poder na dinâmica cerebral.

Em particular, a teoria ainda carece de uma descrição clara de como a criticidade surge dos mecanismos neurobiológicos - a sinalização de neurónios em circuitos locais e distribuídos. Mas ele admite que está a torcer pelo sucesso da teoria. "Faz tanto sentido", disse ele. "Se se desenhasse um cérebro, provavelmente iria querer a criticidade na mistura. Em última análise, é uma questão empírica.

por Jennifer Ouellette in scientificamerica -  sand-pile-model-of-the-mind-grows-in-popularity

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Para compreender a matemática do modelo, 'sandpile': the-math-of-the-amazing-sandpile