A dinâmica da atividade neural do cérebro de um rato se comporta de forma peculiar, forma inesperada que pode ser modelada teoricamente sem qualquer ajuste fino, sugere um novo artigo de físicos da Emory University. Cartas de revisão física publicou a pesquisa, o que aumenta a evidência de que as estruturas da física teórica podem ajudar na compreensão da atividade cerebral em larga escala.

"Nosso modelo teórico concorda com trabalhos experimentais anteriores com cérebros de camundongos com uma precisão de alguns por cento - um grau que é altamente incomum para sistemas vivos, "diz Ilya Nemenman, Emory professor de física e biologia e autor sênior do artigo.

O primeiro autor é Mia Morrell, que fez a pesquisa para sua tese de honra como um sénior Emory com especialização em física. Ela se formou em Emory no ano passado e agora está em um programa de pós-bacharelado em física no Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México.

"Uma das coisas maravilhosas sobre o nosso modelo é que ele é simples, "diz Morrell, que iniciará um doutorado programa de física na Universidade de Nova York no outono. "Um cérebro é realmente complexo. Portanto, destilar a atividade neural em um modelo simples e descobrir que o modelo pode fazer previsões que correspondem tão de perto aos dados experimentais é empolgante."

O novo modelo pode ter aplicativos para estudar e prever uma variedade de sistemas dinâmicos que têm muitos componentes e têm entradas variáveis ​​ao longo do tempo, da atividade neural de um cérebro à atividade de negociação de um mercado de ações.

A co-autora do artigo é Audrey Sederberg, um ex-pós-doutorado no grupo de Nemenman, que agora faz parte do corpo docente da Universidade de Minnesota.

O trabalho é baseado em um conceito de física conhecido como fenômenos críticos, usado para explicar as transições de fase em sistemas físicos, como a mudança da água de líquido para gás.

Na forma líquida, as moléculas de água estão fortemente correlacionadas umas às outras. De uma forma sólida, eles estão presos em um padrão previsível de cristais idênticos. Em uma fase gasosa, Contudo, cada molécula se move sozinha.

"No que é conhecido como um ponto crítico para um líquido, você não consegue distinguir se o material é líquido ou vapor, "Nemenman explica." O material não está perfeitamente ordenado nem desordenado. Não é totalmente previsível nem totalmente imprevisível. Um sistema neste ponto 'perfeito' Cachinhos Dourados é considerado 'crítico'. "

Temperatura e pressão muito altas geram esse ponto crítico para a água. E a estrutura dos pontos críticos é a mesma em muitos sistemas aparentemente não relacionados. Por exemplo, água em transição para um gás e um ímã perdendo seu magnetismo conforme é aquecido são descritos pelo mesmo ponto crítico, portanto, as propriedades dessas duas transições são semelhantes.

Para realmente observar um material em um ponto crítico para estudar sua estrutura, os físicos devem controlar rigidamente os experimentos, ajustar os parâmetros dentro de uma faixa extraordinariamente precisa, um processo conhecido como ajuste fino.

Nas décadas recentes, alguns cientistas começaram a pensar no cérebro humano como um sistema crítico. Experimentos sugerem que a atividade cerebral está em um ponto Cachinhos Dourados - bem em um ponto crítico de transição entre a ordem perfeita e a desordem.

"Os neurônios do cérebro não funcionam apenas como uma grande unidade, como um exército marchando junto, mas também não se comportam como uma multidão de pessoas correndo em todas as direções, "Nemenman diz." A hipótese é que, conforme você aumenta a distância efetiva entre os neurônios, as correlações entre suas atividades vão cair, mas eles não cairão a zero. Todo o cérebro está acoplado, agindo como um grande, máquina interdependente, mesmo quando os neurônios individuais variam em sua atividade. "

Os pesquisadores começaram a procurar sinais reais de fenômenos críticos dentro dos cérebros. Eles exploraram uma questão-chave:o que ajusta o cérebro para atingir a criticidade?

Em 2019, uma equipe da Universidade de Princeton registrou neurônios no cérebro de um camundongo enquanto ele corria em um labirinto virtual. Eles aplicaram ferramentas de física teórica desenvolvidas para sistemas não vivos aos dados de atividade neural do cérebro do rato. Seus resultados sugeriram que a atividade neural exibe correlações críticas, permitindo previsões sobre como as diferentes partes do cérebro se correlacionarão umas com as outras ao longo do tempo e em distâncias efetivas dentro do cérebro.

Para o artigo atual, os pesquisadores do Emory queriam testar se o ajuste fino de parâmetros específicos era necessário para a observação de criticidade nos experimentos cerebrais de camundongos, ou se as correlações críticas no cérebro poderiam ser alcançadas simplesmente pelo processo de recebimento de estímulos externos. A ideia veio de um trabalho anterior em que o grupo de Nemenman colaborou, explicando como os sistemas biológicos podem exibir a lei de Zipf - um padrão único de atividade encontrado em sistemas díspares.

"Nós criamos anteriormente um modelo que mostrava a lei de Zipf em um sistema biológico, e esse modelo não exigia ajuste fino, "Nemenman diz." A lei de Zipf é uma forma particular de criticidade. Para este artigo, queríamos tornar esse modelo um pouco mais complicado, para ver se poderia prever as correlações críticas específicas observadas nos experimentos com ratos. "

O ingrediente principal do modelo é um conjunto de algumas variáveis ​​ocultas que modulam a probabilidade de neurônios individuais estarem ativos.

Morrell escreveu o código do computador para executar simulações e testar o modelo em seu computador doméstico. "O maior desafio era escrever o código de uma forma que permitisse que ele rodasse rapidamente, mesmo ao simular um grande sistema com memória limitada de computador sem um servidor enorme, " ela diz.

O modelo foi capaz de reproduzir fielmente os resultados experimentais nas simulações. O modelo não requer o ajuste cuidadoso de parâmetros, gerar atividade que é aparentemente crítica por qualquer medida em uma ampla gama de opções de parâmetros.

"Nossas descobertas sugerem que, se você não vê um cérebro como existindo por conta própria, mas você o vê como um sistema que recebe estímulos do mundo externo, então você pode ter um comportamento crítico sem necessidade de ajustes finos, "Nemenman diz." Isso levanta a questão de se algo semelhante poderia ser aplicado a sistemas físicos não vivos. Isso nos faz repensar a própria noção de criticidade, que é um conceito fundamental em física. "

O código do computador para o modelo já está disponível online, para que qualquer pessoa com um laptop possa acessá-lo e executar o código para simular um sistema dinâmico com entradas variáveis ​​ao longo do tempo.

"O modelo que desenvolvemos pode ser aplicado além da neurociência, a qualquer sistema em que o acoplamento generalizado a variáveis ​​ocultas exista, "Nemenman diz." Dados de muitos sistemas biológicos ou sociais provavelmente parecerão críticos por meio do mesmo mecanismo, sem ajuste fino. "