Durante anos, o cérebro foi pensado como um computador biola³gico que processa informações por meio de circuitos tradicionais, por meio dos quais os dados passam direto de uma canãlula para outra. Embora esse modelo ainda seja preciso, um novo estudo liderado pelo professor de Salk Thomas Albright e pelo cientista da equipe Sergei Gepshtein mostra que também háuma segunda maneira muito diferente de o cérebro analisar informações: atravanãs das interações de ondas de atividade neural. As descobertas, publicadas na Science Advances em 22 de abril de 2022, ajudam os pesquisadores a entender melhor como o cérebro processa as informações.

"Agora temos uma nova compreensão de como a maquinaria computacional do cérebro estãofuncionando", diz Albright, presidente da Conrad T. Prebys em Pesquisa da Visão e diretor do Laborata³rio do Centro de Visão de Salk. “O modelo ajuda a explicar como o estado subjacente do cérebro pode mudar, afetando a atenção, o foco ou a capacidade de processar informações das pessoas”.

Os pesquisadores sabem hámuito tempo que existem ondas de atividade elanãtrica no cérebro, tanto durante o sono quanto durante a viga­lia. Mas as teorias subjacentes sobre como o cérebro processa informações osparticularmente informações sensoriais , como a visão de uma luz ou o som de um sino osgiraram em torno de informações sendo detectadas por células cerebrais especializadas e depois transportadas de um neura´nio para outro como um retransmissão.

Este modelo tradicional do cérebro, no entanto, não poderia explicar como uma única canãlula sensorial pode reagir de forma tão diferente a  mesma coisa sob diferentes condições. Uma canãlula, por exemplo, pode ser ativada em resposta a um flash rápido de luz quando um animal estãoparticularmente alerta, mas permanecera¡ inativa em resposta a  mesma luz se a atenção do animal estiver focada em outra coisa.

Gepshtein compara o novo entendimento a  dualidade onda-parta­cula na física e na química osa ideia de que luz e matéria tem propriedades departículas e ondas. Em algumas situações, a luz se comporta como se fosse uma parta­cula (também conhecida como fa³ton). Em outras situações, ele se comporta como se fosse uma onda. Aspartículas estãoconfinadas a um local especa­fico e as ondas são distribua­das por muitos locais. Ambas as visaµes da luz são necessa¡rias para explicar seu comportamento complexo.

"A visão tradicional da função cerebral descreve a atividade cerebral como uma interação de neura´nios. Como cada neura´nio estãoconfinado a um local especa­fico, essa visão ésemelhante a  descrição da luz como uma parta­cula", diz Gepshtein, diretor do Salk's Collaboratory for Adaptive Sensory Tecnologias. "Descobrimos que, em algumas situações, a atividade cerebral émelhor descrita como interação de ondas, que ésemelhante a  descrição da luz como onda. Ambas as visaµes são necessa¡rias para entender o cérebro."

Algumas propriedades sensoriais das células observadas no passado não eram fa¡ceis de explicar, dada a abordagem de "parta­cula" ao cérebro. No novo estudo, a equipe observou a atividade de 139 neura´nios em um modelo animal para entender melhor como as células coordenavam sua resposta a  informação visual. Em colaboração com o fa­sico Sergey Savel'ev da Universidade de Loughborough, eles criaram uma estrutura matemática para interpretar a atividade dos neura´nios e prever novos fena´menos.

A melhor maneira de explicar como os neura´nios estavam se comportando, eles descobriram, era por meio da interação de ondas microsca³picas de atividade, em vez da interação de neura´nios individuais. Em vez de um flash de luz ativando células sensoriais especializadas, os pesquisadores mostraram como ele cria padraµes distribua­dos: ondas de atividade em muitas células vizinhas, com picos e vales alternados de ativação oscomo ondas do mar.

Quando essas ondas estãosendo geradas simultaneamente em diferentes lugares do cérebro, elas inevitavelmente colidem umas com as outras. Se dois picos de atividade se encontram, eles geram uma atividade ainda mais alta, enquanto se um vale de baixa atividade encontra um pico, pode cancela¡-lo. Este processo échamado de interferaªncia de ondas.

"Quando vocêestãono mundo, hámuitas, muitas entradas e, portanto, todas essas ondas diferentes são geradas", diz Albright. “A resposta la­quida do cérebro ao mundo ao seu redor tem a ver com a forma como todas essas ondas interagem”.

Para testar seu modelo matema¡tico de como as ondas neurais ocorrem no cérebro, a equipe projetou um experimento visual de acompanhamento. Duas pessoas foram solicitadas a detectar uma linha taªnue ("sonda") localizada em uma tela e ladeada por outros padraµes de luz. O quanto bem as pessoas realizaram essa tarefa, descobriram os pesquisadores, dependia de onde a sonda estava. A capacidade de detectar a sonda foi elevada em alguns locais e diminua­da em outros, formando uma onda espacial prevista pelo modelo.

"Sua capacidade de ver esta sonda em todos os locais dependera¡ de como as ondas neurais se sobrepaµem nesse local", diz Gepshtein, que também émembro do Centro de Neurobiologia da Visão de Salk. "E agora propusemos como o cérebro medeia isso."

A descoberta de como as ondas neurais interagem émuito mais abrangente do que explicar essa ilusão de a³tica. Os pesquisadores levantam a hipa³tese de que os mesmos tipos de ondas estãosendo gerados ose interagindo entre si osem todas as partes do cortex cerebral, não apenas na parte responsável pela análise da informação visual. Isso significa que ondas geradas pelo pra³prio cérebro, por sugestaµes sutis no ambiente ou humores internos, podem alterar as ondas geradas por entradas sensoriais.

Isso pode explicar como a resposta do cérebro a algo pode mudar de um dia para o outro, dizem os pesquisadores.

Coautores adicionais do artigo incluem Ambarish Pawar de Salk e Sunwoo Kwon da Universidade da Califa³rnia, Berkeley.