Criticalidade e estados corticais

Abstract

É bem estabelecido que a atividade cortical apresenta um rico repertório de estados dinâmicos, indo desde estados altamente sincronizados a estados dessincronizados. Inicialmente, esse estudo se deu a partir de registros de eletroencefalografia (EEG). Nas últimas décadas, com o desenvolvimento das técnicas de microfabricação de eletrodos, tornou-se possível o registro simultâneo da atividade de potenciais de ação (spikes) de populações de neurônios, tanto em animais anestesiados, quanto em comportamento livre. Esses registros permitiram um melhor entendimento dos estados corticais a partir de substratos neuronais. Entretanto, apenas recentemente, a rica fenomenologia de estados corticais foi explorada pela abordagem de sistemas críticos. Os primeiros estudos que alimentaram a hipótese do cérebro crítico são suportados por evidências experimentais (avalanches neuronais) que indicam que o cérebro paira sobre um ponto crítico pertencente à classe de universalidade de percolação direcionada no campo médio (Mean - Field Directed Percolation MF - DP), na qual o sistema passa por uma transição de fase de estado absorvente para ativo. Esses estudos, em diferentes configurações experimentais, têm levantado algumas controvérsias: por um lado, distribuições tipo leis de potência (assinatura de criticalidade) são encontradas durante oscilações lentas no sinal de Potencial de Campo Local (Local Field Potential - LFP) em animais sob efeito de anestésicos como cetamina-xilazina e isoflurano; por outro lado, correlações temporais de longo alcance (outra assinatura de criticalidade) são observadas em oscilações rápidas no sinal de LFP para animais em comportamento livre, mas não em animais anestesiados com cetamina-xilazina ou isoflurano. Esses resultados levam a um impasse no qual assinaturas de criticalidade podem depender do nível de sincronização, desafiando assim todo o quadro da percolação direcionada. Neste trabalho, usando dados próprios e publicamente disponíveis, mostramos que independentes assinaturas de criticalidade variam continuamente ao longo dos estados corticais, acessados pelo coeficiente de variação da atividade somada de spike. E, notavelmente, uma relação de escala prevista pela teoria de fenômenos críticos indica a emergência de um ponto crítico em um valor intermediário de variabilidade. Os expoentes do ponto crítico apontam para uma classe de universalidade diferente da percolação direcionada no campo médio (MF-DP). À medida em que o córtex flutua em torno desse ponto crítico, segue uma relação linear entre os expoentes das distribuições de avalanches que englobam resultados experimentais anteriores encontrados na literatura.