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Pesquisadores desenvolveram um novo método para descrever o córtex cerebral, revelando um padrão fractal universal entre espécies de mamíferos que pode melhorar nossa compreensão do desenvolvimento e das doenças do cérebro.
Uma nova pesquisa revela que o córtex cerebral segue os mesmos padrões de dobramento em todas as espécies de mamíferos, aderindo a uma forma fractal universal.
Pesquisadores desenvolveram um novo método para descrever a forma do córtex cerebral, fornecendo evidências de que os córtices em mamíferos espécies exibem um padrão fractal universal.
O estudo, publicado como uma pré-impressão revisada em eVida e aparecendo hoje como uma versão revisada, é descrito pelos editores como uma estrutura valiosa para nossa compreensão do córtex cerebral como uma forma fractal. Eles descrevem a força da evidência como convincente para um modelo universal para o dobramento do córtex cerebral de mamíferos.
Com mais pesquisas e validações, a abordagem poderá ser usada para fornecer insights sobre o desenvolvimento de várias condições neuropáticas degenerativas e congênitas.
O córtex cerebral é a camada mais externa do cérebro e é responsável por funções complexas como pensamento, percepção e tomada de decisão. O dobramento do córtex cerebral, conhecido como girificação, é o processo pelo qual a superfície do cérebro desenvolve sulcos (sulcos) e cristas (giros). Esse dobramento aumenta a área da superfície do cérebro, permitindo um número maior de neurônios e um processamento de informações mais complexo. O córtex exibe uma ampla diversidade de formas e tamanhos entre e dentro das espécies.
Novas Metodologias em Análise de Córtex
“Nós nos propusemos a encontrar uma maneira de definir o formato do córtex e expressar o que é único sobre as formas e dobras complexas que compõem cada córtex”, diz o autor principal Yujiang Wang, um Future Leaders Fellow no Computational Neurology, Neuroscience & Psychiatry (CNNP) Lab na School of Computing, Newcastle University, Reino Unido. “Pode-se olhar para uma imagem de um córtex cerebral e reconhecer o que é. Mas como podemos diferenciar o seu córtex do meu? Ou como podemos distinguir o córtex cerebral de uma girafa do de um sagui? Isso requer uma maneira mais expressiva de descrever o formato do córtex.”
Wang e colegas começaram estabelecendo dois princípios-chave. Primeiro, eles sabiam que os córtices não podem simplesmente assumir qualquer forma dobrada – os córtices são finas folhas de matéria cinzenta dobradas de maneiras complexas ao redor da matéria branca, e o grau de dobramento que eles sofrem é precisamente determinado pela espessura e tamanho desta folha. Este princípio é chamado de escala universal. Eles então criaram uma maneira de “derreter” o córtex cerebral, removendo dobras que eram menores do que um certo limite, permitindo que eles estudassem as dobras restantes individualmente. Isso revelou o segundo princípio; que os córtices são compostos de dobras de vários tamanhos, onde as pequenas dobras se assemelham às suas dobras maiores – uma propriedade chamada autosimilaridade. Isso se assemelha à escala fractal, onde uma forma geométrica complexa exibe padrões intrincados que se repetem em escalas progressivamente menores.
Estudo comparativo entre espécies
A equipe então combinou esses princípios de escala universal e autosimilaridade para estudar o córtex cerebral de 11 espécies diferentes de primatas, incluindo humanos, chimpanzés e saguis. Isso revelou que, apesar das claras diferenças visuais entre os córtices das espécies, todos eles seguem uma lei de escala universal e se assemelham à mesma forma fractal. Então, se você pegar o córtex mais complexo estudado, o de um humano, e usar o processo de “derreter” da equipe para eliminar as menores dobras, ele começa a se assemelhar ao de um chimpanzé. Se você “derreter” o córtex de um chimpanzé, ele se assemelha ao de um macaco rhesus, e assim por diante.
Essas descobertas sugerem que, independentemente da espécie, há apenas uma maneira de um córtex cerebral passar por dobramento. Então por que eles são tão claramente diferentes quando observados por meio de uma ressonância magnética? Eles parecem diferentes em tamanho, e alguns são altamente dobrados, como o córtex humano, e alguns são muito mais suaves, como o córtex do sagui.
“A chave aqui é definir precisamente o que queremos dizer com 'assemelhar-se'”, explica o autor sênior Bruno Mota, professor do metaBIO Lab, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil. “Pode-se imaginar uma forma que se parece com um córtex humano, mas, ao ampliar, você descobre que dentro de cada dobra há dobras infinitamente menores. Tal forma não pode existir na natureza, mas pode ser definida matematicamente como uma forma fractal, como fizemos aqui. O que mostramos é que todos os córtices das espécies que estudamos se assemelham a essa forma fractal para uma certa faixa de tamanhos de dobra.”
Portanto, acrescenta Mota, as diferenças observadas nas formas corticais entre essas espécies são em grande parte devido ao fato de que cada uma tem uma gama diferente de tamanhos de dobras para as quais a semelhança se mantém. Para um córtex mais suave, como em um sagui, essa gama é mais estreita; para um mais dobrado, como um chimpanzé, é mais ampla.
Os autores observam que seu estudo foi limitado a descrições de hemisférios corticais inteiros e que em trabalhos futuros eles procurarão explorar regiões corticais mais específicas. Eles também investigarão como doenças neurodegenerativas, como Alzheimer afetam a forma fractal do córtex. Isso pode eventualmente permitir a identificação de biomarcadores mais detalhados para várias condições e doenças neurológicas, e conceder maior compreensão de como elas se desenvolvem.
“Nossos resultados sugerem um modelo universal para o formato do cérebro de mamíferos e um conjunto comum de mecanismos que governam o dobramento cortical”, conclui Mota. “Esperamos que nossa estrutura para expressar e analisar o formato cortical possa se tornar uma ferramenta poderosa para caracterizar e comparar córtices de diferentes espécies e indivíduos, ao longo do desenvolvimento e do envelhecimento, e ao longo da saúde e da doença.”
Referência: “Evidência neuroevolutiva para uma forma fractal universal do cérebro dos primatas” por Yujiang Wang, Karoline Leiberg, Nathan Kindred, Christopher R. Madan, Colline Poirier, Christopher I. Petkov, Peter N. Taylor e Bruno Mota, 30 de julho de 2024, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.92080.3