Ressonância estocástica modula sincronização neural

The noisy brain
Janet Kwasniak - December 23, 2010

Muitos supõem, hoje, que a sincronização neural é o método de comunicação de redes de neurônios envolvidos em percepção, cognição e ação. Em um estudo recente, Ward e outros (citação abaixo) investigaram a importância da ressonância estocática (SR - stochastic resonance) nessa sincronia. Então, o que é esta coisa conhecida como ressonância estocática?

Eventualmente v. acaba topando com a ressonância estocática, seja qual for a ciência com a qual estiver envolvido, da geologia à física quântica. A matemática não é fácil, mas a idéia básica é simples, pelo menos simples em sua forma mais simples. Suponha que v. tem uma superfície com duas depressões, e uma área elevada entre elas. Uma bola pode rolar para lá e para cá em uma depressão ou na outra, mas não tem como sair da depressão uma vez nela. Este é um estado bi-estável - dois estados estáveis com um estado instável entre eles. Chamemos a área elevada de limite (threshold). Agora, suponha que a intervalos regulares algo empurre a bola na direção da outra depressão, mas um empurrão que não é forte o bastante para que a bola ultrapasse a barreira. Você pode visualizar esse empurrão como um magneto em um pêndulo que balança de sua posição diretamente acima de uma depressão para uma posição diretamente acima da outra depressão, para lá e para cá. Suponha que a bola é de ferro. Chame esse empurrão de sinal periódico de empuxo (forcing). Ele pode influenciar o movimento da bola, mas não o suficiente para que ela ultrapasse a barreira. Agora vamos supor que agitemos a coisa toda de modo que a bola tenha um movimento aleatório bastante amplo. Mas esse movimento aleatório raramente é o suficiente para fazer com que a bola atravesse a barreira. Este é o componente aleatório ou estocático; vamos chamá-lo de ruído. Adicione a quantidade certa de ruído ao sinal e presto! O sinal, somado ao ruído, quase sempre permite que a bola atravesse a barreira. Assim, um sinal fraco demais para ser eficiente é incrementado pela adição de ruído.

Comumente nós achamos que o ruído enfraquece um sinal, mas nesse caso este é fortalecido. Muito pouco ruído não funciona, e ruído demais também não. O pequeno empuxo extra do sinal perde significância quando é mergulhado em ruído pesado. A SR só funciona em uma faixa estreita de potência de ruído, que depende da natureza do (sistema) bi-estável e do sinal. Esta é uma maneira simples, até mesmo simplista, de se ver a ressonância magnética.

Diz a Wikipedia:
"A ressonância estocástica (SR) é um fenômeno que ocorre em um sistema de medição de limite (threshold) (por exemplo, um instrumento ou dispositivo feito pelo homem; uma célula, um órgão ou um organismo natural) quando uma medida apropriada de transferência de informação (razão de sinal-ruído, informações mútuas, coerência, d, etc.) é maximizada na presença de um nível diferente de zero de ruído de input estocástico, baixando assim o limite de resposta; o sistema ressoa em um nível particular de ruído"

Muitos também supõem, com base em diversos experimentos, que a ressonância estocática é parte do meio ambiente dos neurônios do cérebro, e um ingrediente do processamento neural de informações. Mas de que maneira funciona a SR? De onde vem o ruído? O que é o sinal trazido até um limite? O que é o limite? Para onde vai o sinal, e o que faz? Ward e seus colegas pesquisadores estudam o que a SR tem a ver com sincronia.

Aqui está o abstract:

A sincronização neural é um mecanismo através do qual regiões cerebrais funcionalmente específicas estabelecem redes transitórias para percepção, cognição e ação. A adição direta de ruído fraco (flutuações rápidas e aleatórias) a diversos sistemas neurais incrementa a sincronização através do mecanismo de ressonância estocástica (SR). Além disso, a SR também ocorre na percepção, cognição e ação humanas. A percepção, a cognição e a ação estão estreitament correlacionadas com, e podem depender de, oscilações sincronizadas no interior de redes cerebrais especializadas. Nós testamos a hipótese de que a sincronização neural mediada pela SR ocorre no interior de, e entre, áreas cerebrais funcionalmente relevantes, e assim poderia ser responsável pela SR comportamental. Nós medimos a reação transitória de 40 Hz do córtex auditivo humano para breves notas puras. Esta reação surge quando a atividade corrente, de 40 Hz e de fase aleatória, de um grupo de neurônios sintonizados do córtex auditivo se torna sincronizada como reação ao estabelecimento de um som acima do limite como sua frequência 'preferida'. (...) Assim, a sincronização tanto intra- como inter-regional da atividade neural é facilitada pela adição de quantidades moderadas de ruído aleatório. Como os níveis de ruído no cérebro flutuam com a atividade sistêmica de despertar, particularmente entre ciclos de dormir-acordar, níveis de ruído neural ótimos, e assim a SR, poderiam estar envolvidos na otimização da formação de redes cerebrais relevante para tarefas em diversas escalas, sob condições normais.

A pesquisa deles parece indicar que a ressonância estocástica está contribuindo para o estabelecimento de sincronia em áreas sensoriais locais e também entre áreas do cérebro. Como a sincronia disseminada é um dos marcos do processo consciente, deveríamos observar cuidadosamente essa área de pesquisa. (...)

Ward, L., MacLean, S., & Kirschner, A. (2010). Stochastic Resonance Modulates Neural Synchronization within and between Cortical Sources
PLoS ONE, 5 (12) DOI: 10.1371/journal.pone.0014371 (link ativo para o artigo de Ward et al.)