O sono protege redes neurais complexas de entrarem em estados permanentes de instabilidade

Cada criatura que já foi estudada tão de perto, desde a mosca da fruta até o filósofo, entrega-se a cada dia a um estado que, visto de fora, é como um mini-ensaio para a morte. Uma nova perspectiva publicada na revista especializada Brain Medicine pergunta por que e responde com uma síntese, em vez de um único experimento. Combinando décadas de trabalho em neuroimagem, eletrofisiologia e modelagem computacional, os autores propõem que o sono é melhor compreendido não como descanso, como tarefas domésticas, mas como um mecanismo de resiliência a nível de sistema que impede o cérebro, uma rede de cerca de 86 mil milhões de neurónios, de escapar a estados de fluxo.

Três palavras que não são sinônimos

Grande parte da confusão sobre o sono, sugerem os autores, vem da fusão dos três conceitos em um. Eles os separam. Estabilidade é a capacidade de manter um estado funcional sob pequenas flutuações. Robustez é a capacidade de continuar trabalhando apesar de ruído, desvio ou danos parciais.

A resiliência é a propriedade mais ampla e estranha, a capacidade de absorver um choque, reorganizar-se internamente e restaurar o desempenho adaptativo ao longo do tempo. É a resiliência, afirmam os autores, que o sono realmente protege. Por que um comportamento tão caro, tão perigoso num mundo cheio de predadores, sobreviveria a milhões de anos de evolução, a menos que comprasse ao cérebro algo que ele não conseguiria de outra maneira?

“Queríamos superar a ideia de que dormir é recarregar a bateria durante a noite”, disse Xiaohui Wang, professor do Instituto de Química Aplicada de Changchun da Academia Chinesa de Ciências.

Quando você olha para o cérebro como uma rede dinâmica complexa, o sono começa a se assemelhar a algo que um engenheiro cuidadoso projetaria propositalmente, uma janela programada para o sistema se reparar e se reorganizar.”

Xiaohui Wang, professor, Instituto de Química Aplicada de Changchun, Academia Chinesa de Ciências

O que a noite realmente faz?

A perspectiva considera duas grandes fases do sono como uma divisão do trabalho. Durante o sono NREM, e especialmente durante a fase de ondas lentas, o cérebro entra num ritmo de alta amplitude e baixa frequência abaixo de um hertz. Maior modularidade. Queda de entropia. A energia sináptica, inflada por longos dias de aprendizagem, é renovada silenciosamente para que a rede não fique saturada. O sono REM faz o oposto. As assinaturas elétricas dessincronizam-se, os ritmos teta e gama ascendem e o cérebro avança em direção à integração e exploração global, relaxando circuitos que se tornaram demasiado rígidos.

A transferência entre essas fases, observa o autor, é onde algo curioso acontece. O cérebro atinge a sua maior metaestabilidade, a sua prontidão para deslizar entre estados, precisamente na transição. Então, será que o cérebro adormecido faz o seu melhor trabalho não dentro de um estágio, mas entre eles?

Por baixo de tudo isso está uma tarefa mais física. Durante o sono NREM profundo, o sistema glinfático amplia o espaço entre as células e elimina os resíduos metabólicos, incluindo as proteínas beta-amilóides que estão na base da investigação da doença de Alzheimer. A fiação está sendo descarregada durante a reinstalação.

“Uma rede que apenas otimiza pode ficar encurralada”, disse Longwei Yang, autor principal. “O que o sono salva é a capacidade de se recuperar.”

O que sonharia com um instrumento?

Aqui a perspectiva dá uma guinada ousada. As redes neurais artificiais, observam os autores, sofrem de problemas que se sobrepõem à biologia, como esquecimento catastrófico, ajuste excessivo e saturação da rede. Treinados em uma tarefa de cada vez, esses sistemas sobrescrevem o que já sabiam. O cérebro biológico lida melhor com o aprendizado contínuo, e os autores argumentam que o sono é parte do motivo.

Os paralelos não são analogias soltas. O autor dirige trabalhos concretos. Tadros e colegas desenvolveram um algoritmo de consolidação de repetição do sono que permite que redes artificiais retenham habilidades antigas enquanto aprendem novas. Golden e colegas relataram ganhos semelhantes no aumento das redes neurais resultantes da reativação offline semelhante ao sono. Watkins e colegas descobriram que redes treinadas persistentemente escaparam da atividade patológica até que o ruído oscilatório, um substituto dos ritmos de ondas lentas, restaurou a ordem.

“O surpreendente é a convergência”, disse Haohong Li, professor da Faculdade de Medicina da Universidade de Zhejiang, o outro autor correspondente, cuja pesquisa se concentra na homeostase do sono e nas oscilações neurais. “Repetição, renovação, poda e injeção de som são introduzidas como soluções tanto no cérebro quanto na máquina. Não estamos afirmando que um conjunto de servidores dorme. Estamos dizendo que qualquer sistema de aprendizagem operando em um mundo em mudança pode precisar de fases off-line estruturadas para permanecer resiliente.”

Desta uniformidade o autor extrai um princípio de design. Alterne períodos semelhantes a NREM com predominância de repetição com períodos semelhantes a REM com predominância de reconstrução e, em seguida, julgue os resultados pela rapidez com que o sistema se recupera da perturbação, em vez de apenas pela precisão bruta.

Onde a lógica ganha seu sustento e onde não

A ressonância clínica é difícil de ignorar. Os distúrbios caracterizados pela fragilidade da rede, entre eles a doença de Alzheimer, a esquizofrenia e a epilepsia, tendem a se propagar perturbando a arquitetura do sono. (Resultados da revisão) Se o sono modifica a resiliência do cérebro, então o sono interrompido pode ser ao mesmo tempo sintomático e acomodativo, e as intervenções que fortalecem a atividade de ondas lentas, como a estimulação auditiva direcionada, podem fazer mais do que melhorar uma noite de descanso. Um dia de recuperação do sono pode contar como restauração da capacidade de recuperação da rede?

Os autores são cuidadosos com os limites de seus próprios campos. Esta é uma perspectiva, uma síntese das evidências existentes e não uma nova experiência, e assim dizem. Eles enquadram a conta da resiliência como um gerador de previsões testáveis, em vez de verdades estabelecidas. A manipulação de fases como o sono deve acelerar a recuperação após a interrupção, mudar as escalas de criticidade em direções específicas e direcionar a reprodução para as sub-redes mais frágeis.

Se este princípio cobre todo o problema da arquitetura biológica e artificial é, nas palavras deles, uma questão em aberto. Os autores também revelam que usaram o modelo de linguagem Dipsic para refinar a clareza do manuscrito, alertando que os atalhos de engenharia em tais modelos não são equivalentes à dinâmica em camadas e multicamadas do sono biológico. Eles não relatam conflitos de interesse.

O que permanece é a reformulação. Imaginamos o sono como horas em que nada acontece. O argumento aqui é que nada funciona.