Como o cérebro domina a complexidade sem cair no caos

Os investigadores revelam que os neurónios que exibem “seletividade mista” permitem aos nossos cérebros lidar com múltiplos cálculos simultaneamente, proporcionando a flexibilidade necessária para tarefas cognitivas complexas.

Muitos neurônios exibem “seletividade mista”, o que significa que podem integrar múltiplas entradas e participar de vários cálculos. Mecanismos como oscilações e neuromoduladores recrutam sua participação e os sintonizam para focar nas informações relevantes.

Todos os dias, os nossos cérebros esforçam-se por otimizar uma compensação: com muitas coisas a acontecer à nossa volta, embora também guardemos muitos impulsos e memórias internas, de alguma forma os nossos pensamentos devem ser flexíveis, mas focados o suficiente para orientar tudo o que temos de fazer. Em novo artigo publicado na revista Neurônio, uma equipe de neurocientistas descreve como o cérebro atinge a capacidade cognitiva de incorporar todas as informações relevantes sem ficar sobrecarregado pelo que não é.

O papel da seletividade mista

Os autores argumentam que a flexibilidade surge de uma propriedade chave observada em muitos neurônios: “seletividade mista”. Embora muitos neurocientistas pensassem que cada célula tinha apenas uma função dedicada, evidências mais recentes mostraram que muitos neurónios podem, em vez disso, participar numa variedade de conjuntos computacionais, cada um trabalhando em paralelo. Em outras palavras, quando um coelho pensa em mordiscar alface em um jardim, um único neurônio pode estar envolvido não apenas na avaliação de quão faminto ele sente, mas também se consegue ouvir um falcão no alto ou sentir o cheiro de um coiote nas árvores e a que distância. a alface é.

O cérebro não realiza multitarefas, disse o coautor do artigo Earl K. Miller, professor Picower no Instituto Picower de Aprendizagem e Memória em MIT e um pioneiro da ideia de seletividade mista, mas muitas células têm a capacidade de serem envolvidas em múltiplos esforços computacionais (essencialmente “pensamentos”). No novo artigo, os autores descrevem mecanismos específicos que o cérebro emprega para recrutar neurônios para diferentes computações e para garantir que esses neurônios representem o número certo de dimensões de uma tarefa complexa.

“Esses neurônios têm várias funções”, disse Miller. “Com a seletividade mista você pode ter um espaço representacional tão complexo quanto necessário e nada mais complexo. É disso que se trata a cognição flexível.”

A coautora Kay Tye, professora do Instituto Salk e da Universidade da Califórnia em San Diego, disse que a seletividade mista entre os neurônios, especialmente no córtex pré-frontal medial, é a chave para ativar muitas habilidades mentais.

“O mPFC é como um sussurro que representa tantas informações por meio de conjuntos altamente flexíveis e dinâmicos”, disse Tye. “A seletividade mista é a propriedade que nos confere flexibilidade, capacidade cognitiva e capacidade de ser criativo. É o segredo para maximizar o poder computacional, que é essencialmente a base da inteligência.”

Origens de uma ideia

A ideia de seletividade mista germinou em 2000, quando Miller e seu colega John Duncan defenderam um resultado surpreendente de um estudo de cognição no laboratório de Miller. À medida que os animais classificavam as imagens em categorias, cerca de 30% dos neurônios do córtex pré-frontal do cérebro pareciam estar envolvidos. Os céticos que acreditavam que cada neurônio tinha uma função dedicada zombavam do fato de o cérebro dedicar tantas células a apenas uma tarefa. A resposta de Miller e Duncan foi que talvez as células tivessem flexibilidade para se envolver em muitos cálculos. A capacidade de servir em uma força-tarefa cerebral, por assim dizer, não os impedia de servir a muitas outras.

Mas que benefício a seletividade mista traz? Em 2013, Miller se uniu a dois coautores do novo artigo, Mattia Rigotti da IBM Research e Stefano Fusi da Universidade Columbia, para mostrar como a seletividade mista confere ao cérebro uma poderosa flexibilidade computacional. Essencialmente, um conjunto de neurônios com seletividade mista pode acomodar muito mais dimensões de informação sobre uma tarefa do que uma população de neurônios com funções invariantes.

“Desde o nosso trabalho original, fizemos progressos na compreensão da teoria da seletividade mista através das lentes do clássico aprendizado de máquina ideias”, disse Rigotti. “Por outro lado, questões caras aos experimentalistas sobre os mecanismos que o implementam a nível celular foram comparativamente subexploradas. Esta colaboração e este novo documento pretendem preencher essa lacuna.”

No novo artigo, os autores imaginam um rato que está pensando em comer uma fruta. Pode cheirar delicioso (essa é uma dimensão). Pode ser venenoso (isso é outra). Ainda outra dimensão ou duas do problema poderiam assumir a forma de um sinal social. Se o rato sentir o cheiro da baga no hálito de outro rato, então a baga provavelmente pode ser comida (dependendo da saúde aparente do companheiro). Um conjunto neural com seletividade mista seria capaz de integrar tudo isso.

Recrutando Neurônios

Embora a seletividade mista tenha o respaldo de inúmeras evidências – ela foi observada em todo o córtex e em outras áreas do cérebro, como o hipocampo e a amígdala – ainda há questões em aberto. Por exemplo, como os neurônios são recrutados para as tarefas e como os neurônios que têm a “mente tão aberta” permanecem sintonizados apenas com o que realmente importa para a missão?

No novo estudo, os pesquisadores que também incluem Marcus Benna da UC San Diego e Felix Taschbach do Instituto Salk, definem as formas de seletividade mista que os pesquisadores observaram e argumentam que quando as oscilações (também conhecidas como “ondas cerebrais”) e os neuromoduladores (substâncias químicas como a serotonina ou a dopamina que influenciam a função neural) recrutam neurônios para conjuntos computacionais e também os ajudam a “bloquear” o que é importante para esse propósito.

Certamente, alguns neurônios são dedicados a uma entrada específica, mas os autores observam que eles são uma exceção e não a regra. Os autores dizem que essas células têm “seletividade pura”. Eles só se importam se o coelho vir alface. Alguns neurônios exibem “seletividade linear mista”, o que significa que sua resposta depende previsivelmente da soma de múltiplas entradas (o coelho vê alface e sente fome). Os neurônios que adicionam maior flexibilidade dimensional são os de “seletividade mista não linear”, que podem levar em conta múltiplas variáveis ​​independentes sem necessariamente somá-las. Em vez disso, eles poderiam pesar todo um conjunto de condições independentes (por exemplo, há alface, estou com fome, não ouço falcões, não sinto cheiro de coiotes, mas a alface está longe e vejo uma cerca bem resistente).

Então, o que leva os neurônios a se concentrarem nos fatores mais importantes, por mais que existam? Um mecanismo são as oscilações, que são produzidas no cérebro quando muitos neurônios mantêm sua atividade elétrica no mesmo ritmo. Essa atividade coordenada permite o compartilhamento de informações, essencialmente sintonizando-as como um monte de carros tocando a mesma estação de rádio (talvez a transmissão seja sobre um falcão circulando no alto). Outro mecanismo destacado pelos autores são os neuromoduladores. Estes são produtos químicos que, ao atingirem os receptores dentro das células, também podem influenciar sua atividade. Uma explosão de acetilcolina, por exemplo, pode sintonizar de forma semelhante os neurônios com os receptores certos para determinada atividade ou informação (como talvez aquela sensação de fome).

“Esses dois mecanismos provavelmente funcionam juntos para formar redes funcionais de forma dinâmica”, escrevem os autores.

Compreender a seletividade mista, continuam eles, é fundamental para compreender a cognição.

“A seletividade mista é onipresente”, concluem. “Está presente em todo espécies e através de funções desde cognição de alto nível até processos sensório-motores “automáticos”, como reconhecimento de objetos. A presença generalizada da seletividade mista sublinha o seu papel fundamental em fornecer ao cérebro o poder de processamento escalável necessário para pensamentos e ações complexas.”

Referência: “Seletividade mista: computações celulares para complexidade” por Kay M. Tye, Earl K. Miller, Felix H. Taschbach, Marcus K. Benna, Mattia Rigotti e Stefano Fusi, 9 de maio de 2024, Neurônio.
DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.017