Como a hierarquia fractal dos neurônios ajuda o cérebro a equilibrar foco individual e trabalho em equipe

O cérebro é um prodígio de eficiência, lapidado por milhares de anos de evolução para se ajustar e prosperar num mundo em constante mudança. Mesmo assim, apesar de décadas de estudos, continuava difícil explicar como ele consegue isso.

Em uma pesquisa recente nossa, publicada na revista científica Cell, mostramos de que maneira os neurônios - as células que sustentam suas memórias de infância, seus pensamentos e suas emoções - coordenam a própria atividade.

Dá para comparar com trabalhar numa empresa de altíssimo desempenho. Para dar certo, é preciso conciliar competências individuais com cooperação; mas como encontrar esse ponto de equilíbrio?

A resposta que observamos no cérebro é surpreendentemente simples: cada célula dedica no máximo metade (e no mínimo 40%) do seu esforço a tarefas individuais.

E para onde vai o restante desse esforço? Para um trabalho em equipe escalável.

O mais marcante é que identificamos exatamente o mesmo padrão de organização em cérebros de cinco espécies - de moscas-das-frutas e nematódeos a peixes-zebra, camundongos e macacos.

Como essas espécies pertencem a ramos diferentes da árvore da vida, separados por mais de 1 bilhão de anos de evolução, isso indica que talvez tenhamos encontrado um princípio básico do processamento de informações otimizado. E ele também traz lições importantes para qualquer sistema complexo atual.

O meio-termo crítico

Nossa descoberta contribui para uma discussão antiga sobre o cérebro: os neurônios se comportam como “astros” (cada um muito especializado e eficiente) ou priorizam o trabalho coletivo (mantendo o sistema a funcionar mesmo quando alguns elementos falham)?

Chegar a uma resposta não foi simples. Até pouco tempo atrás, as ferramentas da neurociência permitiam ou registrar a atividade de poucas células, ou acompanhar a atividade de vários milhões.

Seria como tentar compreender uma empresa gigantesca entrevistando apenas alguns funcionários - ou, no extremo oposto, recebendo somente relatórios gerais de departamentos. Faltava justamente o meio-termo crítico.

Com os avanços no imageamento de cálcio, hoje é possível registrar sinais de dezenas de milhares de células ao mesmo tempo. Esse método permite observar a atividade neural em tempo real, usando sensores fluorescentes que “acendem” de acordo com os níveis de cálcio dentro da célula.

Ao aplicar ideias da minha formação em física para analisar bases de dados em larga escala, constatamos que a atividade cerebral se organiza segundo uma hierarquia fractal.

Em conjunto, as células formam redes coordenadas cada vez maiores, produzindo um arranjo em que cada escala se parece com as escalas imediatamente acima e abaixo.

Esse padrão resolve o debate: na prática, o cérebro faz as duas coisas.

Ele combina individualidade e cooperação - e o faz de modo engenhoso. Aproximadamente metade do esforço vai para um desempenho “pessoal”, enquanto os neurônios colaboram dentro de redes progressivamente maiores.

O cérebro consegue se adaptar rapidamente às mudanças

Para verificar se essa organização trazia vantagens específicas, executamos simulações computacionais. Os resultados mostraram que essa hierarquia fractal otimiza o fluxo de informação ao longo do cérebro.

Ela também viabiliza algo essencial: adaptar-se a mudanças. O cérebro consegue operar com eficiência, realizando tarefas com o mínimo de recursos, e ao mesmo tempo permanece resiliente, preservando a função mesmo quando alguns neurônios disparam de forma incorreta.

Ao explorar um lugar desconhecido ou reagir a uma ameaça repentina, o cérebro precisa processar e usar informações novas com rapidez. Para isso, os neurônios ajustam continuamente sua coordenação, mantendo o sistema estável o suficiente para um raciocínio profundo e, ao mesmo tempo, flexível o bastante para lidar com desafios inesperados.

A organização em múltiplas escalas que identificamos permite que estratégias diferentes - ou “códigos neurais” - atuem em escalas distintas.

Por exemplo, observamos que o movimento do peixe-zebra depende de muitos neurônios a agir em uníssono. Esse desenho resiliente ajuda a manter a natação suave, mesmo em ambientes que mudam depressa.

Em contraste, a visão do camundongo se ajusta na escala celular, o que dá a precisão necessária para extrair detalhes finos de uma cena. Nesse caso, se alguns neurônios deixam passar informações-chave, toda a perceção pode mudar - como quando uma ilusão de ótica engana seu cérebro.

Nossos resultados mostram que essa coordenação fractal da atividade neuronal aparece ao longo de um enorme intervalo evolutivo: de vertebrados, cujo último ancestral comum viveu há 450 milhões de anos, até invertebrados, remontando a 1 bilhão de anos.

Isso sugere que os cérebros evoluíram para equilibrar eficiência e resiliência, permitindo processamento de informações otimizado e adaptação a novas exigências de comportamento. O facto de esse padrão persistir ao longo da evolução indica que talvez tenhamos encontrado um princípio fundamental de projeto.

Um princípio fundamental?

Vivemos um momento empolgante, em que física e neurociência continuam a interagir para revelar leis universais do cérebro, moldadas por eras de seleção natural. Será necessário avançar em estudos futuros para entender como esses princípios podem aparecer no cérebro humano.

Nossas descobertas também apontam para algo mais amplo: essa regra simples de foco individual e trabalho em equipe escalável pode não ser exclusiva do cérebro.

Quando elementos se organizam em redes por níveis, os recursos podem ser partilhados com eficiência, e o sistema se torna robusto contra interrupções.

As melhores empresas funcionam de forma semelhante: quando surge um novo desafio, as pessoas conseguem reagir sem esperar ordens do gestor, resolvendo o problema enquanto continuam rapidamente amparadas pela organização.

Talvez esse seja um princípio universal para alcançar resiliência e eficiência em sistemas complexos.

Ao que tudo indica, a lenda do basquete Michael Jordan tinha razão ao dizer: "o talento vence jogos, mas o trabalho em equipe e a inteligência vencem campeonatos".

Brandon Robert Munn, pesquisador de pós-doutorado, Universidade de Sydney

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.