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domingo, 24 de janeiro de 2016

Capacidade de memória do cérebro é 10 vezes maior do que pensávamos

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Novo estudo do Instituto Salk para Pesquisas Biológicas sugere que a capacidade de memória do cérebro é muito maior do que as estimativas indicavam.
Além disso, pode ajudar os cientistas a entender como o cérebro é tão eficiente em energia.
“Esta é uma verdadeira bomba no campo da neurociência”, disse Terry Sejnowski, um dos principais autores do estudo. “Nós descobrimos a chave para desvendar o princípio do design de como neurônios funcionam com baixo consumo de energia, mas alto poder de computação”.

A complexidade das sinapses

Nossas memórias e pensamentos são o resultado de padrões de atividade elétrica e química no cérebro.
Uma parte fundamental dessa atividade acontece quando as ramificações dos neurônios interagem em determinados cruzamentos, conhecidas como sinapses. Uma ramificação de saída (axônio) de um neurônio se conecta a uma de entrada (dendrite) de um segundo neurônio.
Os sinais viajam através da sinapse conforme as “ordens” de substâncias químicas chamadas neurotransmissores. Cada neurônio pode ter milhares de sinapses com milhares de outros neurônios.
E, no entanto, ainda sabemos pouco sobre elas. Por exemplo, no novo estudo, enquanto a equipe reconstruía em 3D o tecido do hipocampo de ratos (o centro de memória do cérebro), os cientistas notaram algo incomum: em alguns casos, um único axônio de um neurônio formava duas sinapses, que chegavam a um único dendrito de um segundo neurônio.

Medindo tamanhos sinápticos

No começo, os pesquisadores não pensaram muito sobre essa duplicidade, que ocorre cerca de 10% do tempo no hipocampo.
Mas Tom Bartol, um dos pesquisadores da equipe, teve uma ideia: se eles pudessem medir a diferença entre duas sinapses muito semelhantes como estas, poderiam ser capazes de medir melhor os tamanhos sinápticos, que até agora só tinham sido classificados como pequenos, médios e grandes.
Para fazer isso, os pesquisadores usaram microscopia avançada e algoritmos computacionais desenvolvidos para fazer imagens dos cérebros de ratos e reconstruir conectividade, formas, volumes e área de superfície do tecido cerebral a um nível nanomolecular.

Novidade

Os cientistas esperavam que as sinapses fossem mais ou menos semelhantes em tamanho, mas foram surpreendidos ao descobrir que eram quase idênticas.
“Ficamos espantados ao descobrir que a diferença entre os tamanhos dos pares de sinapses eram, em média, de apenas cerca de 8%. Ninguém pensou que seria uma diferença tão pequena”, explicou Bartol.
Porque a capacidade de memória dos neurônios é dependente do tamanho da sinapse, esse acabou por ser um número-chave para que a equipe pudesse, então, usar seus modelos algorítmicos do cérebro para medir a quantidade de informações que poderiam ser armazenadas nas conexões sinápticas.

26 tamanhos

Os cientistas já sabiam que o intervalo de tamanho entre a menor e a maior sinapse podia variar por um fator de 60. Além disso, a maioria das sinapses são pequenas.
Armados com o conhecimento que sinapses de todos os tamanhos podem variar em incrementos de apenas 8% entre os tamanhos dentro de um fator de 60, a equipe determinou que poderia haver cerca de 26 categorias de tamanhos de sinapses, em vez de apenas três.
“Nossos dados sugerem que existem 10 vezes mais tamanhos de sinapses do que se pensava”, disse Bartol. Em termos informáticos, 26 tamanhos de sinapses correspondem a cerca de 4,7 “bits” de informação. Anteriormente, pensava-se que o cérebro era capaz de apenas um ou dois bits de armazenamento.

Sinapses adaptativas

As sinapses do hipocampo são notoriamente pouco confiáveis. Quando um sinal viaja de um neurônio para outro, só ativa um segundo neurônio de 10 a 20% das vezes.
Como, então, o cérebro possui tanta precisão com sinapses tão não confiáveis? Uma resposta, ao que parece, está na constante adaptação das sinapses.
A equipe usou seus novos dados e um modelo estatístico para descobrir quantos sinais eram necessários para cada par de sinapses chegar a essa diferença de 8%.
Os pesquisadores calcularam que, para as menores, cerca de 1.500 eventos causam uma mudança em seu tamanho/capacidade (20 minutos). As maiores precisam de apenas algumas centenas de eventos (1 a 2 minutos).
“Isto significa que, a cada 2 ou 20 minutos, suas sinapses estão se adaptando para o próximo tamanho. As sinapses se ajustam de acordo com os sinais que recebem”, explica Bartol.

No futuro

O resultado deste estudo abre um novo capítulo na pesquisa de mecanismos de aprendizagem e memória.
As descobertas sugerem mais perguntas para explorar, por exemplo, se regras semelhantes podem ser aplicadas a sinapses em outras regiões do cérebro.
Também, os dados oferecem uma explicação para a eficiência surpreendente do cérebro. O cérebro adulto acordado gera apenas cerca de 20 watts de potência contínua – tanto quanto uma lâmpada fraca. A descoberta poderia ajudar cientistas da computação a construir maquinas ultraprecisas que sejam ao mesmo tempo mais eficientes em termos de energia.
Fonte: hypescience

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