Cérebro humano e Universo: a rede neuronal e a rede cósmica comparadas

Padrões repetidos do microscópico ao cósmico

Uma das particularidades mais intrigantes do Universo é que certas formas e padrões surgem em cenários radicalmente diferentes: a Espiral Dourada aparece tanto na cóclea humana como no desenho de uma galáxia espiral; e a geometria fractal das veias encontra eco na ramificação dos relâmpagos.

Partindo desta ideia, um novo estudo-piloto particularmente ousado juntou duas áreas improváveis. Um astrofísico e um neurocirurgião recorreram a análise quantitativa para colocar, frente a frente, dois dos sistemas mais complexos da Natureza: a rede neuronal do cérebro humano e a rede cósmica de galáxias no Universo.

À primeira vista, a comparação nem é assim tão descabida. Talvez já tenha visto a imagem que circula de tempos a tempos com um neurónio humano e um aglomerado de galáxias simulado, lado a lado; o paralelismo visual é surpreendente.

Crédito: Mark Miller/Consórcio Virgo/Complexidade Visual

Ainda assim, tanto no cérebro humano como no Universo há muito mais do que aparência.

Foi precisamente isso que levou o astrofísico Franco Vazza, da Universidade de Bolonha (Itália), e o neurocirurgião Alberto Feletti, da Universidade de Verona (Itália), a dedicarem os últimos anos a testar se as semelhanças vão além da superfície.

Porque é que a rede cósmica pode ser tão “complexa”

Num texto publicado em 2017 na revista Nautilus, os autores explicaram o ponto de partida da questão:

"As galáxias podem agrupar-se em estruturas enormes (chamadas enxames, superenxames e filamentos) que se estendem por centenas de milhões de anos-luz. A fronteira entre estas estruturas e as extensões vizinhas de espaço vazio, chamadas vazios cósmicos, pode ser extremamente complexa.

A gravidade acelera a matéria nessas fronteiras até velocidades de milhares de quilómetros por segundo, criando ondas de choque e turbulência nos gases intergalácticos.

Previmos que a fronteira entre vazio e filamento é um dos volumes mais complexos do universo, medido pelo número de bits de informação necessários para a descrever.

Isto levou-nos a pensar: Será mais complexa do que o cérebro?"

As duas classes de estruturas diferem em escala por 27 ordens de grandeza (ou seja, mil milhões de mil milhões de mil milhões). Mesmo assim, os resultados da equipa sugerem que, embora os processos físicos que moldam a estrutura do Universo e os que moldam a estrutura do cérebro humano sejam profundamente distintos, ambos podem conduzir a níveis semelhantes de complexidade e auto-organização, segundo os investigadores.

Semelhanças entre rede neuronal e rede cósmica

O primeiro passo consistiu em identificar paralelos concretos.

Para começar, há números comparáveis em termos de ordem de grandeza: o cerebelo humano tem cerca de 69 mil milhões de neurónios; e a rede cósmica observável inclui mais de 100 mil milhões de galáxias.

Além disso, os dois sistemas organizam-se como redes bem definidas, com nós (neurónios no cérebro, galáxias no Universo) ligados através de filamentos.

Tanto nos neurónios como nas galáxias, o raio típico de escala é apenas uma fracção do comprimento dos filamentos. E o fluxo de informação e de energia entre nós representa apenas cerca de 25 por cento do conteúdo total de massa e energia em cada sistema.

Os autores apontaram ainda uma semelhança na composição global. O cérebro é composto por cerca de 77 por cento de água. O Universo é composto por cerca de 72 por cento de energia escura.

Em ambos os casos, trata-se aparentemente de materiais passivos que permeiam o respectivo sistema e desempenham apenas um papel indirecto na sua estrutura interna.

Como foi feita a comparação quantitativa (com imagens)

Depois de definirem estes pontos comuns, os investigadores avançaram para uma comparação quantitativa baseada em imagens. Para isso, obtiveram cortes do cerebelo e do córtex humanos em diferentes ampliações e colocaram-nos em confronto com simulações da rede cósmica.

O alvo principal era procurar semelhanças nas flutuações da densidade de matéria entre o cérebro e a rede cósmica. E o que encontraram foi que a distribuição relativa dessas flutuações nos dois sistemas é espantosamente parecida - apesar de ocorrer em escalas muito diferentes.

Um corte do cerebelo com ampliação de 40x (esquerda) e uma rede cósmica simulada com 300 anos-luz de lado (direita). (Universidade de Bolonha)

"Calculámos a densidade espectral de ambos os sistemas. Esta é uma técnica frequentemente usada em cosmologia para estudar a distribuição espacial das galáxias", afirmou Vazza.

"A nossa análise mostrou que a distribuição da flutuação dentro da rede neuronal do cerebelo, numa escala de 1 micrómetro a 0.1 milímetros, segue a mesma progressão da distribuição de matéria na rede cósmica mas, claro, numa escala maior que vai de 5 milhões a 500 milhões de anos-luz."

Mas os resultados não se ficaram por aqui.

A equipa analisou outras características morfológicas, como o número de filamentos ligados a cada nó. A rede cósmica, com base numa amostra de 3,800 a 4,700 nós, apresentava em média 3.8 a 4.1 ligações por nó. Já o córtex humano, numa amostra de 1,800 a 2,000 nós, tinha uma média de 4.6 a 5.4 ligações por nó.

Para além disso, ambos os sistemas mostraram tendência para concentrar ligações em torno de nós centrais. E ambos parecem apresentar uma capacidade de informação semelhante.

Um estudo recente sugere que a memória do cérebro humano ronda 2.5 petabytes. Outro estudo recente, assinado por Vazza, indica que a capacidade de memória necessária para armazenar a complexidade do Universo é de cerca de 4.3 petabytes.

"Em termos gerais", escreveram os investigadores em 2017, "esta semelhança na capacidade de memória significa que todo o conjunto de informação armazenado num cérebro humano (por exemplo, toda a experiência de vida de uma pessoa) também pode ser codificado na distribuição de galáxias no nosso universo."

O que estes paralelos podem - e não podem - indicar

Isto não quer dizer que o Universo seja um cérebro, nem que seja capaz de senciência. Ainda assim, a comparação sugere que as leis que governam o crescimento das estruturas em ambos os casos poderão ser as mesmas.

De acordo com um artigo de 2012, baseado em simulações, a rede causal que representa a estrutura em grande escala do espaço-tempo no nosso universo em aceleração é um grafo de lei de potência notavelmente semelhante ao do cérebro humano.

Trabalhos como este, de Vazza e Feletti, podem ajudar a abrir caminho para compreender melhor essas leis.

"Uma vez mais, parâmetros estruturais identificaram níveis de concordância inesperados. Provavelmente, a conectividade dentro das duas redes evolui seguindo princípios físicos semelhantes, apesar da diferença marcante e óbvia entre os poderes físicos que regulam galáxias e neurónios", afirmou Feletti.

"Estas duas redes complexas mostram mais semelhanças do que as partilhadas entre a rede cósmica e uma galáxia ou uma rede neuronal e o interior de um corpo neuronal."

A investigação foi publicada na revista Fronteiras na Física.