Um padrão temporal de atividade observado no cérebro humano pela primeira vez pode explicar como podemos aprender tão rapidamente.
Durante décadas, neurocientistas trataram o cérebro como um contador Geiger: A taxa em que o fogo dos neurônios é tomado como uma medida de atividade, assim como a taxa de cliques de um contador Geiger indica a força da radiação. Mas novas pesquisas sugerem que o cérebro pode ser mais como um instrumento musical. Quando você toca piano, com que frequência você bate nas teclas importa, mas o tempo preciso das notas também é essencial para a melodia.
"É realmente importante não apenas quantas [ativações de neurônios] ocorrem, mas quando exatamente elas ocorrem", disse Joshua Jacobs, neurocientista e engenheiro biomédico da Universidade de Columbia, que relatou novas evidências para esta alegação no mês passado em Cell.
Pela primeira vez, Jacobs e dois coautores espionaram neurônios no cérebro humano codificando informações espaciais através do tempo, em vez de taxa, de seu disparo. Este fenômeno de disparo temporal está bem documentado em certas áreas cerebrais de ratos, mas o novo estudo e outros sugerem que pode ser muito mais difundido em cérebros de mamíferos. "Quanto mais procuramos, mais o vemos", disse Jacobs.
Alguns pesquisadores acham que a descoberta pode ajudar a resolver um grande mistério: como os cérebros podem aprender tão rapidamente.
O fenômeno é chamado de precessão de fase. É uma relação entre o ritmo contínuo de uma onda cerebral - a vazão geral e o fluxo de sinalização elétrica em uma área do cérebro - e os momentos específicos que os neurônios nessa área cerebral ativam. Uma onda cerebral, por exemplo, sobe e cai em um padrão consistente ao longo do tempo, mas os neurônios disparam inconsistentemente, em diferentes pontos da trajetória da onda. Desta forma, as ondas cerebrais agem como um relógio, disse um dos coautores do estudo, Salman Qasim, também da Columbia. Eles permitem que os neurônios cronometrem seus disparos precisamente para que eles aterrissem ao alcance do disparo de outros neurônios - forjando assim conexões entre os neurônios.
Pesquisadores começaram a notar a precessão de fase décadas atrás entre os neurônios em cérebros de ratos que codificam informações sobre a posição espacial. Cérebros humanos e cérebros de ratos contêm essas chamadas células de lugar, cada uma delas sintonizada em uma região específica ou "campo de lugar". Nossos cérebros parecem escalar esses campos de lugar para cobrir nossos arredores atuais, sejam quilômetros de autoestrada ou os quartos de sua casa, disse Kamran Diba, neurocientista da Universidade de Michigan. Quanto mais perto você chega do centro de um campo de lugar, mais rápido o local correspondente dispara. Quando você sai de um campo e entra em outro, o disparo da célula do primeiro lugar sai, enquanto o segundo pega.
Mas, juntamente com a taxa, há também o tempo: à medida que o rato passa por um campo de lugar, a célula de lugar associada dispara cada vez mais cedo em relação ao ciclo da onda de fundo. À medida que o rato cruza de um campo de lugar para outro, o disparo muito cedo da célula do primeiro lugar ocorre perto a tempo com o disparo tardio da célula do próximo lugar. Seus disparos quase coincidentes fazem com que a sinapse, ou conexão, entre eles se fortaleça, e esse acoplamento das células do lugar inradura a trajetória do rato no cérebro. (A informação parece ser codificada através do fortalecimento das sinapses apenas quando dois neurônios disparam dentro de dezenas de milissegundos um do outro.)
A precessão da fase é óbvia em ratos. "É tão proeminente e prevalente no cérebro de roedores que faz você querer assumir que é um mecanismo generalizável", disse Qasim. Os cientistas também identificaram a precessão de fase no processamento espacial de morcegos e saguis, mas o padrão era evasivo em humanos até agora.
Monitorar neurônios individuais é muito invasivo para fazer no participante médio do estudo humano, mas a equipe de Columbia aproveitou dados coletados anos atrás de 13 pacientes com epilepsia que já haviam tido eletrodos implantados para mapear os sinais elétricos de suas convulsões. Os eletrodos registraram os disparos de neurônios individuais enquanto os pacientes guiavam seu caminho através de uma simulação de realidade virtual usando um joystick. À medida que os pacientes se manobravam, os pesquisadores identificaram a pré-ceção de fase em 12% dos neurônios que estavam monitorando.
"Você pode estar perdendo um monte de codificação de informações se você não está rastreando o tempo relativo da atividade neural."
Retirar esses sinais exigia uma análise estatística sofisticada, porque os humanos exibem um padrão mais complicado de ondas cerebrais sobrepostas do que os roedores — e porque menos de nossa atividade neural é dedicada à navegação. Mas os pesquisadores poderiam dizer definitivamente que a precessão de fase está lá.
Outras pesquisas sugerem que a precessão de fase pode ser crucial além da navegação. Em animais, o fenômeno tem sido ligado a percepções não espaciais, incluindo o processamento de sons e olfato. E em humanos, uma pesquisa coautoria de Jacobs no ano passado encontrou precessão de fase em células cerebrais sensíveis ao tempo. Uma pré-impressão ainda não revisada por cientistas cognitivos na França e nos Países Baixos indicou que o processamento de imagens seriais envolvia a precessão de fase, também. Finalmente, no novo estudo de Jacobs, foi encontrado não apenas na navegação literal, mas também como os humanos progrediram em direção a objetivos abstratos na simulação.
Esses estudos sugerem que a precessão de fase permite que o cérebro conecte sequências de tempos, imagens e eventos da mesma forma que faz posições espaciais. "Encontrar essa primeira evidência realmente abre a porta para que seja algum tipo de mecanismo universal de codificação no cérebro - através de espécies de mamíferos, possivelmente", disse Qasim. "Você pode estar perdendo um monte de codificação de informações se você não está rastreando o tempo relativo da atividade neural."
Neurocientistas estão, de fato, à procura de um novo tipo de codificação no cérebro para responder à pergunta de longa data: Como o cérebro codifica informações tão rapidamente? Entende-se que padrões em dados externos ficam enraizados nos padrões de disparo da rede através do fortalecimento e enfraquecimento das conexões sinápticas. Mas os pesquisadores de inteligência artificial normalmente têm que treinar redes neurais artificiais em centenas ou milhares de exemplos de um padrão ou conceito antes que as forças da sinapse se ajustem o suficiente para que a rede aprenda o padrão. Misteriosamente, os humanos normalmente podem aprender com apenas um ou um punhado de exemplos.
A precessão de fase pode desempenhar um papel nessa disparidade. Uma dica disso vem de um estudo realizado por pesquisadores da Johns Hopkins que descobriram que a precessão de fase apareceu em ratos aprendendo uma pista desconhecida - em sua primeira volta. "Assim que você está aprendendo algo, esse padrão para sequências de aprendizagem já está em vigor", acrescentou Qasim. "Isso pode facilitar o aprendizado muito rápido das sequências."
A pré-recessão de fase organiza o tempo para que o aprendizado aconteça com mais frequência do que poderia de outra forma. Ele organiza neurônios ativados por informações relacionadas ao fogo em sucessão rápida o suficiente para que a sinapse entre eles se fortaleça. "Isso apontaria para essa noção de que o cérebro está basicamente computando mais rápido do que você imagina apenas a partir da codificação de taxas", disse Diba.
Há outras teorias sobre nossas habilidades de aprendizagem rápida. E os pesquisadores enfatizaram que é difícil tirar conclusões sobre qualquer papel generalizado para a precessão de fase no cérebro a partir dos estudos limitados até agora.
Ainda assim, uma busca minuciosa pelo fenômeno pode estar em ordem. Bradley Lega, neurologista do Centro Médico sudoeste da Universidade do Texas, disse: "Há muitos problemas que a precessão de fase pode resolver."