Através de uma vasta rede de fibras nervosas, os sinais elétricos viajam constantemente pelo cérebro. Essa atividade complicada é o que, em última análise, dá origem aos nossos pensamentos, emoções e comportamentos – mas também possivelmente à saúde mental e problemas neurológicos quando as coisas dão errado .

A estimulação cerebral é um tratamento emergente para tais distúrbios. Estimular uma região do seu cérebro com pulsos elétricos ou magnéticos desencadeará uma cascata de sinais através de sua rede de conexões nervosas.

No entanto, no momento, os cientistas não têm certeza de como essas cascatas viajam para impactar a atividade do cérebro como um todo – uma peça importante que falta e que limita os benefícios das terapias de estimulação cerebral.

Em nossa pesquisa mais recente, publicada na Neuron em 7 de março, descobrimos que a disseminação da estimulação cerebral pode ser prevista usando a matemática das redes.

Estudar a comunicação no cérebro humano é difícil. Isso ocorre porque os sinais elétricos se movem muito rápido, na escala de milésimos de segundo, entre uma parte do cérebro e outra.

Para tornar as coisas mais complicadas, os sinais são comunicados por meio de uma rede incrivelmente complexa de fibras nervosas que interliga todas as regiões do cérebro. Essas questões tornam difícil para os cientistas até mesmo observar os sinais que viajam pelo cérebro.

No entanto, em circunstâncias muito especiais e controladas, podemos usar eletrodos invasivos para rastrear com precisão a propagação dos sinais cerebrais. Eletrodos invasivos são instrumentos inseridos cirurgicamente no cérebro de pacientes que consentiram.

É importante ressaltar que esse tipo de procedimento invasivo só pode ser feito em circunstâncias muito especiais, quando o objetivo principal é ajudar os pacientes. No nosso caso, os pacientes eram pessoas com epilepsia grave. Quando os pacientes com epilepsia não respondem à medicação, eles podem optar por usar eletrodos para ajudar os médicos a descobrir mais sobre o que pode estar acontecendo em seus cérebros.

Nosso estudo foi baseado em um grande grupo de 550 pacientes voluntários com epilepsia em mais de 20 hospitais na América do Norte, Ásia e Europa.

Os eletrodos fornecem uma maneira de estimular suavemente uma área do cérebro com um pulso elétrico e, ao mesmo tempo, registrar a atividade cerebral do paciente. Usamos dados de eletrodos colocados em diferentes posições do cérebro para rastrear a comunicação de pulsos elétricos de uma região para outra.

Como último ingrediente de nosso estudo, usamos ressonâncias magnéticas para reconstruir a rede de fibras nervosas do cérebro humano, conhecida como conectoma . Isso nos deu um modelo da fiação física através da qual os sinais elétricos são comunicados no cérebro.

Então, como os sinais são comunicados através da complexa fiação do conectoma?

Uma possibilidade simples é que os sinais viajam pelos caminhos mais diretos do conectoma. Em termos de rede, isso significaria que um pulso elétrico vai de uma região para outra através do caminho mais curto das regiões intermediárias entre elas.

Outra ideia é que os sinais se espalham por difusão na rede . Para entender isso, pense em como a água fluiria por uma rede de canos.

Cada vez que a água atinge uma junção na rede, o fluxo é dividido em caminhos divergentes. Mais junções ao longo da jornada da água significam mais divisões, e o fluxo ao longo de qualquer caminho se torna mais fraco. No entanto, se alguns dos caminhos divergentes se encontrarem novamente a jusante, a força do fluxo aumenta novamente. Nessa analogia, todas as conexões (tubulações) da rede contribuem para moldar o fluxo do sinal (água), não apenas aquelas ao longo do caminho mais direto.

Esses dois tipos de comunicação de rede - caminhos mais curtos versus fluxo difusivo - são duas hipóteses concorrentes para explicar como os sinais elétricos se propagam pela fiação do conectoma após a estimulação cerebral. Hoje, os cientistas não têm certeza de qual hipótese corresponde melhor ao que acontece no cérebro.

Nosso estudo é um dos primeiros a tentar resolver esse debate. Para fazer isso, perguntamos se os caminhos mais curtos ou a difusão predizem melhor a propagação do sinal elétrico, medida pelos eletrodos nos cérebros dos pacientes.

Depois de analisar os dados, encontramos evidências que apoiam a hipótese do fluxo difusivo. Isso significa que muito mais conexões nervosas – em comparação com apenas aquelas que percorrem caminhos mais curtos – moldam como a estimulação cerebral desce em cascata pelo conectoma.

Esta é uma informação importante para os cientistas, pois nos ajuda a entender como a fiação física das conexões nervosas contribui para a atividade e função cerebral.

Nosso estudo é um dos primeiros desse tipo e mais trabalho é necessário para confirmar o que encontramos. Esperamos que o progresso em nossa compreensão da comunicação cerebral também ajude os cientistas clínicos a projetar melhores tratamentos de estimulação cerebral para problemas de saúde mental.

A estimulação cerebral pode ajudar a "restaurar" o mau funcionamento da comunicação entre as regiões do cérebro. Por exemplo, a estimulação não invasiva (feita fora do crânio e sem a necessidade de cirurgia) é um tratamento para transtorno depressivo maior disponível na Austrália.

Em nossa pesquisa futura, investigaremos se as descobertas relatadas aqui podem ser usadas para melhorar o benefício terapêutico de tais tratamentos de estimulação cerebral .