Pensando sem cérebro

Se você não tivesse um cérebro, ainda poderia descobrir onde estava e navegar ao seu redor?

Graças a novas pesquisas sobre fungos viscosos, a resposta pode ser “sim”. Cientistas do Wyss Institute da Harvard University e do Allen Discovery Center da Tufts University descobriram que um fungo viscoso sem cérebro chamado Physarum polycephalum usa seu corpo para detectar sinais mecânicos em seu ambiente circundante e realiza cálculos semelhantes ao que chamamos de “pensamento” para decidir em que direção crescer com base nessas informações.

Ao contrário de estudos anteriores com Physarum, esses resultados foram obtidos sem dar ao organismo qualquer alimento ou sinais químicos para influenciar seu comportamento.

O estudo foi publicado na Advanced Materials

“As pessoas estão se tornando mais interessadas no Physarum porque ele não tem um cérebro, mas ainda pode realizar muitos dos comportamentos que associamos ao pensamento, como resolver labirintos, aprender coisas novas e prever eventos”, disse a primeira autora Nirosha Murugan , um ex-membro do Allen Discovery Centre que agora é um professor assistente na Algoma University em Ontário, Canadá.

“Descobrir como a vida protointeligente consegue fazer esse tipo de computação nos dá mais informações sobre os fundamentos da cognição e do comportamento animal, incluindo o nosso próprio.”

Os fungos viscosos são organismos semelhantes a amebas que podem atingir vários metros de comprimento e ajudam a decompor a matéria em decomposição do ambiente, como troncos apodrecidos, cobertura morta e folhas mortas. Uma única criatura Physarum consiste em uma membrana contendo muitos núcleos celulares flutuando dentro de um citoplasma compartilhado, criando uma estrutura chamada sincício. Physarum move-se lançando seu citoplasma aquoso para frente e para trás por todo o comprimento de seu corpo em ondas regulares, um processo único conhecido como fluxo contínuo.

“Com a maioria dos animais, não podemos ver o que está mudando dentro do cérebro enquanto o animal toma decisões. Physarum oferece uma oportunidade científica realmente empolgante porque podemos observar suas decisões sobre onde mover em tempo real, observando como seu comportamento de fluxo de transporte muda ”, disse Murugan.

Embora estudos anteriores tenham mostrado que o Physarum se move em resposta a produtos químicos e luz, Murugan e sua equipe queriam saber se ele poderia tomar decisões sobre para onde se mover com base apenas em sinais físicos em seu ambiente.

Os pesquisadores colocaram espécimes de Physarum no centro de placas de Petri revestidas com um gel de ágar semiflexível e colocaram um ou três pequenos discos de vidro lado a lado no topo do gel em lados opostos de cada placa. Eles então permitiram que os organismos crescessem livremente no escuro ao longo de 24 horas e rastrearam seus padrões de crescimento.

Durante as primeiras 12 a 14 horas, o Physarum cresceu uniformemente em todas as direções; depois disso, entretanto, os espécimes estendiam um longo ramo que crescia diretamente sobre a superfície do gel em direção à região dos três discos 70% das vezes.

Notavelmente, o Physarum escolheu crescer em direção à massa maior sem primeiro explorar fisicamente a área para confirmar que ele realmente continha o objeto maior.

Como ele realizou essa exploração de seus arredores antes de ir fisicamente para lá? Os cientistas estavam determinados a descobrir.

É tudo relativo

Os pesquisadores experimentaram várias variáveis ​​para ver como elas impactavam as decisões de crescimento do Physarum e notaram algo incomum: quando eles empilharam os mesmos três discos um sobre o outro, o organismo parecia perder sua capacidade de distinguir entre os três discos e o único disco . Ele cresceu em ambos os lados do prato em taxas aproximadamente iguais, apesar do fato de que os três discos empilhados ainda tinham uma massa maior. Claramente, Physarum estava usando outro fator além da massa para decidir onde crescer.

Para descobrir a peça que faltava no quebra-cabeça, os cientistas usaram modelagem de computador para criar uma simulação de seu experimento para explorar como a mudança da massa dos discos impactaria a quantidade de tensão (força) e deformação (deformação) aplicada ao semi gel flexível e o Physarum crescente anexado.

Como eles esperavam, massas maiores aumentaram a quantidade de deformação, mas a simulação revelou que os padrões de deformação que as massas produziram mudaram, dependendo da disposição dos discos.

“Imagine que você está dirigindo na rodovia à noite e procurando uma cidade para parar. Você vê dois arranjos diferentes de luz no horizonte: um único ponto brilhante e um aglomerado de pontos menos brilhantes. Enquanto o ponto único é mais brilhante, o agrupamento de pontos ilumina uma área mais ampla que é mais provável de indicar uma cidade, e então você se dirige para lá ”, disse o co-autor Richard Novak, Ph.D., Engenheiro Chefe da Wyss Institute.

“Os padrões de luz neste exemplo são análogos aos padrões de deformação mecânica produzidos por diferentes arranjos de massa em nosso modelo. Nossos experimentos confirmaram que o Physarum pode senti-los fisicamente e tomar decisões com base em padrões, em vez de simplesmente na intensidade do sinal. ”

A pesquisa da equipe demonstrou que essa criatura sem cérebro não estava simplesmente crescendo em direção à coisa mais pesada que podia sentir – ela estava tomando uma decisão calculada sobre onde crescer com base nos padrões relativos de tensão detectada em seu ambiente.

Mas como ele detectou esses padrões de deformação? Os cientistas suspeitaram que isso tivesse a ver com a capacidade do Physarum de se contrair ritmicamente e puxar seu substrato, porque a pulsação e a detecção das mudanças resultantes na deformação do substrato permitem que o organismo obtenha informações sobre seus arredores.

Outros animais têm proteínas de canal especiais em suas membranas celulares, chamadas proteínas semelhantes a TRP, que detectam o alongamento, e o coautor e diretor fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, MD, Ph.D, havia mostrado anteriormente que uma dessas proteínas TRP medeia o mecanossensor em células humanas .

Quando a equipe criou um potente medicamento bloqueador de canal de TRP e o aplicou ao Physarum, o organismo perdeu sua capacidade de distinguir entre massas altas e baixas, selecionando apenas a região de alta massa em 11% dos ensaios e selecionando tanto alta como baixa -mass regiões em 71% dos ensaios.

“Nossa descoberta do uso da biomecânica desse bolor limoso para sondar e reagir ao ambiente circundante ressalta o quão cedo essa habilidade evoluiu nos organismos vivos e como a inteligência, o comportamento e a morfogênese estão intimamente relacionados. Nesse organismo, que cresce para interagir com o mundo, sua mudança de forma é seu comportamento.

“Outra pesquisa mostrou que estratégias semelhantes são usadas por células em animais mais complexos, incluindo neurônios, células-tronco e células cancerosas. Este trabalho no Physarum oferece um novo modelo para explorar as maneiras pelas quais a evolução usa a física para implementar a cognição primitiva que impulsiona a forma e a função “, disse o autor correspondente Mike Levin, Ph.D., membro do corpo docente associado da Wyss que também é o Vannevar Bush Chair e atua como diretor do Allen Discovery Center na Tufts University.

A equipe de pesquisa está continuando seu trabalho no Physarum, incluindo a investigação em que ponto no tempo ele toma a decisão de mudar seu padrão de crescimento de amostragem generalizada de seu ambiente para crescimento direcionado a um alvo. Eles também estão explorando como outros fatores físicos, como a aceleração e o transporte de nutrientes, podem afetar o crescimento e o comportamento do Physarum.

“Este estudo confirma mais uma vez que as forças mecânicas desempenham um papel tão importante no controle do comportamento e do desenvolvimento celular quanto os produtos químicos e os genes, e o processo de mecanosensação descoberto neste organismo simples sem cérebro é surpreendentemente semelhante ao que é visto em todas as espécies, incluindo humanos ”, disse Ingber.

“Assim, uma compreensão mais profunda de como os organismos usam as informações biomecânicas para tomar decisões nos ajudará a entender melhor nossos próprios corpos e cérebros e talvez até mesmo fornecer uma visão sobre novas formas de computação bioinspiradas.”

Ingber é também Professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e Boston Children’s Hospital, e Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson.

Fonte: Wyss Institute