Num estudo publicado na Communications Biology, cientistas aproveitam os avanços em neurociência computacional e o estudo do conectoma humano para começar a desvendar esse mistério.
O papel do conectoma na organização cerebral
Quando você ouve uma história, diferentes regiões do seu cérebro são ativadas seguindo uma hierarquia temporal. Palavras, frases e elementos da narrativa são processados de forma progressiva.
Essa organização revela uma estrutura complexa: áreas próximas aos sentidos analisam rapidamente dados brutos, enquanto regiões associativas, como o córtex pré-frontal, integram essas informações em períodos mais longos. Essa hierarquia de processamento temporal foi bem caracterizada em humanos, mas a questão permanece: por que essa hierarquia temporal é estruturada dessa forma?
Os recentes avanços no mapeamento do conectoma humano e na modelagem de redes neuronais trazem novas respostas. Num artigo publicado na revista Communications Biology, cientistas usaram modelos neurocientíficos computacionais baseados no conectoma humano – um mapa detalhado das conexões neuronais entre regiões cerebrais.
Esses modelos, inspirados em redes neuronais chamadas "reservatórios", simulam a dinâmica cerebral usando princípios de conectividade baseados no conectoma humano. Eles revelam o papel essencial dos feixes de substância branca, como o feixe fronto-occipital, que conectam regiões distantes do cérebro. Esses "atalhos" neuronais permitem que áreas associativas acessem rapidamente informações processadas por regiões sensoriais.
Graças a esses modelos baseados no conectoma, os cientistas conseguiram reproduzir a hierarquia de processamento temporal observada no cérebro humano. Seus resultados mostram que a hierarquia das escalas de tempo deriva da estrutura do conectoma. Ou seja, essa organização não resulta de exigências específicas de tarefas cognitivas ligadas à compreensão de uma narrativa, mas sim da conectividade intrínseca do cérebro humano.
Semelhanças com a inteligência artificial
Um paralelo surge entre essas observações e a inteligência artificial. As vias de substância branca do cérebro lembram as "conexões de salto" usadas em redes neurais profundas (Deep Neural Networks ou DNN). Essas redes de neurônios artificiais, compostas por múltiplas camadas interconectadas, são amplamente usadas em aprendizado de máquina para processar dados. Nas DNN, essas conexões de salto desempenham um papel crucial ao estabilizar a atividade e melhorar o fluxo de informações.
Da mesma forma, no cérebro de primatas, as conexões neuronais de longa distância garantem uma transmissão eficiente de informações. Quando a propagação de sinais via conexões locais se torna ineficiente, esses atalhos tornam-se essenciais para a arquitetura do sistema. Essa descoberta oferece uma nova perspectiva sobre a função das vias de substância branca e abre portas para explorações inovadoras sobre as ligações entre neurociência e inteligência artificial.
Simulação da hierarquia narrativa e do efeito dos atalhos da substância branca.
(A) Os cientistas processaram imagens anatômicas e de difusão por ressonância magnética de 100 indivíduos do conjunto de dados HCP para extrair a tractografia do cérebro completo.
(B) Isso foi usado para gerar o conectoma do cérebro completo – um mapa das conexões entre 400 regiões cerebrais segmentadas.
(C) Esse mapa foi então usado para criar a matriz de conectividade de um modelo de rede neural "reservatório". Aqui vemos essa matriz esquematizada, incluindo a presença de uma conexão de atalho que liga neurônios ativados por entradas sensoriais (à esquerda) aos neurônios associativos à direita. Isso corresponde a uma via de substância branca como o fascículo occipital frontal inferior, ilustrado em (D).
A remoção dessa via na simulação produz uma desaceleração (indicada em vermelho) nas áreas órbito-frontais na imagem do cérebro inflado em (E).
Isso ilustra um dos papéis dessas conexões de longa distância, que podem ter ações semelhantes às conexões de salto em redes neurais profundas.
© Pault Triebkorn, Viktor Jirsa, PF Dominey
Referência:
Simulating the impact of white matter connectivity on processing time scales using brain network models. Triebkorn, P., Jirsa, V. & Dominey, P.F. Communications Biology, 7 de fevereiro de 2025, DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-07587-x