Neurônios no Cérebro Parecem Seguir um Padrão Matemático Distinto
Pesquisadores envolvidos no Projeto Cérebro Humano identificaram uma regra matemática que define a distribuição dos neurônios em nossos cérebros. Essa regra prevê a disposição dos neurônios nas diferentes regiões cerebrais e pode auxiliar cientistas na criação de modelos precisos para compreender o funcionamento do cérebro e desenvolver novos tratamentos para doenças neurológicas.
No fascinante mundo da estatística, ao considerarmos qualquer variável aleatória contínua, o logaritmo dessa variável frequentemente segue o que é conhecido como distribuição lognormal. Essa distribuição, definida pela média e desvio padrão, pode ser visualizada como uma curva em forma de sino, porém mais larga do que a encontrada em uma distribuição normal.
Uma equipe de pesquisadores do Centro de Pesquisa de Jülich e da Universidade de Colônia, na Alemanha, descobriu que o número de neurônios em áreas da camada externa do tecido neural em diferentes mamíferos se encaixa em uma distribuição lognormal.
Deixando a matemática de lado, uma distinção simples e importante é a simetria da curva em forma de sino da distribuição normal e a assimetria e cauda pesada à direita da distribuição lognormal, devido a um grande número de valores pequenos e alguns valores significativamente grandes.
O tamanho da população em um país é frequentemente distribuído de forma lognormal, com algumas cidades muito grandes e muitas pequenas cidades e vilarejos.
A estrutura e a função do cérebro dependem do número e do arranjo dos neurônios. A densidade de neurônios em diferentes regiões e camadas dessa camada de tecido externo – o córtex cerebral – varia consideravelmente.
“A distribuição das densidades de neurônios influencia a conectividade da rede”, diz a neurocientista Sacha van Albada do Centro de Pesquisa de Jülich. “Por exemplo, se a densidade de sinapses for constante, regiões com menor densidade de neurônios receberão mais sinapses por neurônio.”
As distribuições estatísticas das densidades de neurônios ainda são amplamente desconhecidas, embora a pesquisa tenha fornecido descobertas fascinantes sobre os tecidos celulares do nosso cérebro.
Para conduzir sua pesquisa, a equipe utilizou nove conjuntos de dados de código aberto que abrangem sete espécies diferentes: camundongo, mico-leão, macaco-macaque, galago, macaco-coruja, babuíno e humano. Quando as densidades de neurônios em diferentes regiões do córtex foram comparadas, um padrão comum de distribuição lognormal emergiu.
“Nossos resultados estão de acordo com a observação de que muitas características do cérebro seguem distribuições lognormais”, escrevem os autores em seu artigo.
Uma distribuição lognormal é um resultado natural de processos que se multiplicam, assim como a distribuição normal é um resultado natural da soma de muitas variáveis independentes.
“Uma razão pela qual ela pode ser muito comum na natureza é porque emerge ao se tomar o produto de muitas variáveis independentes”, diz Alexander van Meegen, que co-liderou a pesquisa como parte de seu doutorado em neurociência computacional no Centro de Pesquisa de Jülich.
Os pesquisadores afirmam que a maneira como o córtex é estruturado pode ser um subproduto do desenvolvimento ou da evolução que não tem nada a ver com a computação.
Mas pesquisas anteriores sugerem que a variação da rede neural do cérebro é mais do que apenas um subproduto e pode ajudar ativamente os animais a aprender em ambientes em constante mudança. E o fato de que a mesma organização pode ser vista em diferentes espécies e na maioria das partes do córtex sugere que a distribuição lognormal é utilizada para algo.
“Não podemos ter certeza de como a distribuição lognormal das densidades de neurônios influenciará a função cerebral, mas provavelmente estará associada a uma alta heterogeneidade de rede, o que pode ser computacionalmente benéfico”, explica o coautor principal Aitor Morales-Gregorio, neurocientista computacional do Centro de Pesquisa de Jülich.
Cientistas esperam que essa descoberta ilumine nosso entendimento sobre como o cérebro armazena e recupera informações, além de como adquire novos conhecimentos. Na busca contínua por tratamentos eficazes para doenças cerebrais, isso pode abrir caminho para a criação de novos medicamentos que atuem em regiões específicas do cérebro.
O esforço de dez anos do Projeto Cérebro Humano para estabelecer uma infraestrutura de pesquisa compartilhada para impulsionar a neurociência, a computação e a medicina relacionada ao cérebro está chegando ao fim, e nos trouxe algumas descobertas interessantes ao longo do caminho. [Science Alert]
