Nosso cérebro é uma rede muito complexa, com aproximadamente 100 bilhões de neurônios e 100 trilhões de sinapses entre os neurônios. Para lidar com sua enorme complexidade, e entender como o cérebro funciona e, eventualmente, forma nossa mente consciente, a ciência usa ferramentas matemáticas avançadas. Em última análise, os cientistas procuram entender como um fenômeno global como a consciência pode emergir de nossa rede neuronal.

Uma equipe de físicos da Universidade Bar-Ilan em Israel, liderado pelo Professor Shlomo Havlin e Professor Reuven Cohen, usou a teoria de rede para lidar com essa complexidade e determinar como a estrutura da rede cortical humana pode suportar integração de dados complexos e atividade consciente. A área cinzenta do córtex humano, os corpos celulares dos neurônios, foram digitalizados com imagens de ressonância magnética e usados ​​para formar 1, 000 nós na rede cortical. A matéria branca do córtex humano, os feixes de neurônios, foram digitalizados com imagens DTI, formando 15, 000 links ou arestas que conectavam os nós da rede. No final deste processo, sua rede era uma aproximação da estrutura do córtex humano. A pesquisa foi publicada recentemente em New Journal of Physics .

Estudos anteriores mostraram que o córtex humano é uma rede com pequenas propriedades de mundo, o que significa que tem muitas estruturas locais e alguns atalhos de estruturas globais que conectam áreas distantes (semelhante à diferença entre ônibus locais e trens cross-country). O córtex também tem muitos centros, que são nós que têm um grande número de links (como estações centrais), que também estão fortemente interconectados entre si, tornando mais fácil viajar entre as rodovias de informação do cérebro.

De acordo com Nir Lahav, o principal autor do estudo, "Para examinar como a estrutura da rede pode suportar fenômenos emergentes globais, como consciência, aplicamos uma análise de rede chamada decomposição k-shell. Esta análise leva em consideração o perfil de conectividade de cada nó, tornando mais fácil descobrir diferentes vizinhanças de conexões na rede cortical, chamamos shells. "A vizinhança mais conectada na rede é chamada de núcleo da rede. Lahav explica, "No processo, retiramos diferentes shells da rede para obter a área mais conectada da rede, O núcleo. Até hoje os cientistas estavam interessados ​​apenas no núcleo da rede, mas descobrimos que esses diferentes invólucros podem conter informações importantes sobre como o cérebro integra informações dos níveis locais de cada nó para toda a rede global. Pela primeira vez, podemos construir um modelo topológico abrangente do nosso córtex. "

Este modelo topológico revela que o núcleo da rede inclui 20% de todos os nós e que os 80% restantes estão fortemente conectados em todos os diferentes shells. Interessantemente, quando comparamos esta topologia com a de outras redes, como a internet, podemos ver algumas diferenças perceptíveis. Por exemplo, na topologia da rede de internet quase 25% dos nós estão isolados, o que significa que eles não se conectam a nenhuma outra concha, mas ao núcleo (veja as 'pernas' da topologia da forma da medusa na figura 1, topologia do córtex humano). Na rede cortical, Contudo, quase não existem nós isolados. Parece que o córtex está muito mais conectado e eficiente do que a Internet.

Olhando para todas as diferentes camadas da rede cortical, os autores foram capazes de definir a estrutura hierárquica da rede e, essencialmente, modelar como a informação flui dentro da rede. A estrutura revelou como os shells de baixa conectividade são nós que normalmente executam funções específicas, como reconhecimento de rosto. De lá, os dados são transferidos para o superior, mais shells conectados que permitem integração de dados adicionais, e lá podemos ver regiões da rede executiva e memória de trabalho. Com essas áreas, podemos nos concentrar no desempenho da tarefa, por exemplo (figura 2, a hierarquia do córtex humano).

A informação integrada então "viaja" para a vizinhança mais conectada de nós, O núcleo, que se estende por várias regiões do córtex. De acordo com Lahav, "É um coletivo interconectado que está densamente ligado a si mesmo e pode desempenhar funções globais devido à sua grande quantidade de estruturas globais que estão espalhadas por todo o cérebro." (Veja a figura 3, núcleo do córtex humano.)

Para qual função global o núcleo pode servir? Os autores sugerem que a resposta não é menos do que a própria consciência.

"A conexão entre a atividade cerebral e a consciência ainda é um grande mistério, "diz Lahav. A principal hipótese hoje é que, a fim de criar atividade consciente, o cérebro deve integrar informações relevantes de diferentes áreas da rede. De acordo com esta teoria, liderado pelo professor Giulio Tononi, da Universidade de Wisconsin, se o nível de informação integrada ultrapassar um certo limite, um estado novo e emergente é inserido, consciência. Este modelo sugere que a consciência depende tanto da integração quanto da segregação da informação. Falando livremente, a consciência é gerada por uma estrutura de rede "central" com alta capacidade de integração de informações, com a contribuição de sub-redes que contêm informações específicas e segregadas, sem fazer parte da estrutura central. Em outras palavras, certas partes do cérebro estão mais envolvidas do que outras no que podemos chamar de complexo consciente do cérebro, ainda outras partes conectadas ainda contribuem, trabalhando silenciosamente fora do complexo consciente.

Os autores demonstram como o núcleo e as diferentes camadas satisfazem todos os requisitos dessas teorias de consciência recentes. As diferentes camadas calculam e contribuem para a integração de dados sem realmente fazer parte do complexo consciente, enquanto o núcleo recebe informações relevantes de todas as outras hierarquias e as integra a uma função unificada usando sua estrutura global interconectada. O núcleo poderia, portanto, ser este complexo consciente, servindo como uma plataforma para a consciência emergir da atividade em rede.

Quando os autores examinaram as diferentes regiões que compõem o núcleo, eles revelaram que, na verdade, essas regiões foram previamente associadas a atividades conscientes. Por exemplo, estruturas dentro da linha média do cérebro, que formam a maior parte do núcleo da rede, foram encontrados associados ao fluxo de consciência e algumas pesquisas, como o do professor Georg Northoff, da Universidade de Ottawa, sugeriram que essas regiões estão envolvidas na criação de nosso senso de identidade.

"Agora precisamos usar essa análise em todo o cérebro e não apenas no córtex, a fim de revelar um modelo mais exato da hierarquia do cérebro, e mais tarde tentar entender quais são exatamente as dinâmicas neuronais que levam a tal integração global e, em última análise, consciência, "diz Lahav.

"Perguntas profundas precisam de uma resposta profunda que geralmente só pode ser encontrada na física. A física tenta descobrir as leis básicas da natureza construindo equações matemáticas gerais que podem descrever o maior número possível de fenômenos naturais. Essas equações matemáticas revelam aspectos fundamentais da realidade. Se realmente queremos entender o que é a consciência e como o cérebro funciona, temos que desenvolver as equações matemáticas de nosso cérebro e de nossa mente consciente. Nós ainda não estamos lá, na verdade, estamos muito longe desse objetivo, mas sinto que este deve ser o nosso 'santo graal' e já começamos o processo para chegar lá, " ele adiciona.