miniaturadaimagem|A integração neural envolve a coordenação complexa de diversos circuitos neurais. A ligação neural é o aspecto neurocientífico, que é comumente conhecido como o problema da ligação: a dificuldade interdisciplinar de criar um modelo abrangente e verificável para a unidade da consciência. "Ligação" refere-se à integração de informações neurais altamente diversas na formação da experiência coesa de um indivíduo. A hipótese da ligação neural defende a ideia de que os sinais neurais são pareados por meio de oscilações sincronizadas da atividade neuronal que se combinam e se recombinam de uma determinada forma para permitir uma ampla variedade de respostas a estímulos dependentes do contexto. As redes neurais dinâmicas podem explicar a flexibilidade e a resposta matizada do cérebro a várias situações. O acoplamento dessas redes é transitório, da ordem de milissegundos, e permite uma atividade rápida.

Um mecanismo viável para este fenómeno deve abranger quatro questões centrais como:

1 - as dificuldades de reconciliar a natureza global dos sinais participantes (exógenos) e as suas associações relevantes (endógenas);

2 - a interface entre os processos perceptivos inferiores e os processos cognitivos superiores;

3 - a identificação dos sinais (por vezes referidos como “etiquetagem”) à medida que são processados e encaminhados por todo o cérebro; e

4 - a emergência de uma unidade de consciência.

As funções adaptativas que são propostas para sustentar a ligação neural incluem a evitação de fenómenos alucinatórios gerados apenas por padrões endógenos, bem como a evitação de comportamentos desempenhados apenas por ações involuntárias.

São apontadas diversas dificuldades que precisam ser abordadas neste modelo. Primeiro, ele deve fornecer um mecanismo para a integração de sinais em diversas areas cerebrais (tanto corticais quanto subcorticais). Ele também deve ser capaz de explicar o processamento simultâneo de sinais não relacionados que são mantidos separados uns dos outros e sinais integrados que devem ser vistos como um todo.

correlações interdisciplinares O estudo do problema da ligação neural em neurociência tem origens em estudos psicológicos mais antigo do fenômeno da ligação, com suas raízes no estudo filosófico antigo. Hoje, existe uma estreita interação entre neurociência e psicologia, o que é especialmente relevante para o estudo da ligação neural.

Psicologia da Gestalt e críticas correlatas miniaturadaimagem|Representação das múltiplas maneiras de perceber o mesmo objeto A psicologia da Gestalt é um campo que se entrelaçou com a teoria da integração neural devido aos seus avanços nos estudos sobre a conceitualização de como o cérebro percebe objetos, reage com a percepção dos estímulos e, em seguida, reage em um nível global. Com a crescente influência da psicologia da Gestalt, o conceito de "agrupamento" tornou-se uma parte importante da compreensão da integração neural. Os cientistas que apoiaram essa teoria estudavam principalmente as questões envolvendo o fato de que os mecanismos cerebrais operavam de forma pré-atentiva.

O conceito de "agrupamento" tornou-se especialmente importante para a integração neural com o avanço nos estudos sobre a atividade das ondas gama no cérebro. por meio dos registros de unidades individuais, os cientistas conseguiram medir a atividade neuronal oscilatória e aprimorar sua compreensão do agrupamento ou emparelhamento de neurônios. Esses emparelhamentos estão de acordo com a teoria da psicologia da Gestalt, que os objetos são percebidos independentemente de suas partes separadas, de uma maneira mais global. Um estudo realizado em 1989 relatou que, ao observarcélulas do córtex visual, a luz que se movia em direções opostas apresentava baixa correlação entre si. No entanto, quando os raios de luz eram direcionados na mesma direção, a correlação se tornava mais forte. Um artigo que aborda essa ideia afirma: "Assim, a atividade correlacionada foi obtida apenas quando as células respondiam a diferentes aspectos da mesma 'Gestalt'". Outros estudos utilizando EEGs do couro cabeludo humano também examinaram a atividade das ondas gama, mostrando como os estímulos pareciam estar de acordo com a integração pré-atentiva.

Outro grupo de cientistas acreditava que os mecanismos não funcionavam de forma pré-atentiva. Eles postularam que, para que as associações fossem feitas corretamente, era necessária a atenção. Portanto, nomearam sua teoria de "associação atencional". A teoria da associação atencional propõe que, à medida que alguém foca sua atenção para um objeto com múltiplas características, passa a desenvolver, ao longo do tempo, uma representação coerente desse objeto e das características que ele possui. Essas características, após serem processadas pela atenção, podem ser armazenadas na memória de curto prazo ou como memórias episódicas. Mais um contraste com a ênfase da psicologia da Gestalt na ligação neural foi levantado por L. Chen, que afirma que a ideia local-global da Gestalt não é suficiente para explicar o processamento neural. Em vez disso, Chen usa a ideia de que a percepção depende de "invariantes topológicos que descrevem a potencialidade geométrica de toda a configuração do estímulo", ou seja, olhar para um determinado objeto cria um estímulo que, por sua vez, dispara uma constelação desse objeto, e então o objeto é reconhecido. A refutação à ideia de Chen é que, como cada objeto tem sua própria constelação, bem como seu próprio conjunto específico de neurônios, não haveria espaço suficiente no cérebro para todas as vias neuronais necessárias. Essa proporção de 1:1 simplesmente não seria suficiente para sustentar os muitos mecanismos complexos do cérebro humano.

Estudos posteriores sobre a ligação pré-atentiva foram realizados. Embora não se concentrassem tanto na psicologia da Gestalt, contribuiram para a ideia da pré-atenção do cérebro. Uma dessas contribuições para essa teoria foi apresentada por Duncan e Humphreys. Eles afirmaram que alguns tipos de características, ao tentarem formar a imagem, competem entre si pelo "estágio de reconhecimento de objetos de capacidade limitada", ou seja, certas partes de um objeto têm múltiplas maneiras de serem representadas pelo cérebro. Cada tipo diferente de característica compete com as outras, tentando se tornar a característica que é exibida ao indivíduo. eEssa ideia sugere uma xplicação para compreensão de como cada pessoa vê um objeto inteiro de forma diferente de outra pessoa. Elas também percebem sua função global em uma escala muito diferente. Essa ideia de agrupamento diferencial também é levantada por Aksentijevic, Elliott e Barber. Sua teoria se baseia em diferentes percepções do espaço geométrico que podem fornecer um "ponto de partida para uma exploração sistemática das propriedades subjetivas de certas classes de fenômenos de agrupamento visual e auditivo, como movimento aparente, agrupamento em telas bidimensionais estáticas e fluxo auditivo". Essa ideia mostra como diferentes pessoas percebem de forma peculiar o espaço geométrico, o que pode levar a diferentes fluxos auditivos e visuais.

Modelos propostos

Temporal miniaturadaimagem|Algumas trajetórias de um oscilador harmônico. A Hipótese da Ligação Temporal e outras áreas de estudo da ligação neural utilizam essa ideia para descrever o emparelhamento de duas ondas oscilantes, formando uma imagem. A Hipótese da Ligação Temporal tem uma história na neurociência que remonta pelo menos ao início da década de 1980. Christoph Von der Malsburg propôs que os neurônios carregam dois sinais distintos: um de código de taxa convencional em relação à "eficácia" da característica que está codificando e outro transmitido em termos de coordenação de picos entre conjuntos de neurônios. Uma década depois , Francis Crick e Christof Koch aprimoraram o modelo, explicando a sincronização de neurônios distantes por oscilações transitórias de ondas gama guiadas pela atenção. Em 1995, Francisco Varela estabeleceu a importância do papel da fase oscilatória no pareamento de conjuntos de neurônios.

A Hipótese da Ligação Temporal foi proposta como uma forma de abordar o problema combinatório da ligação neural, que destaca o número extraordinariamente grande de conexões que teriam de ser estabelecidas entre neurônios com funções e associações sobrepostas para atingir o grau de complexidade observável na ligação neural. Os modelos modernos que estão sendo desenvolvidos frequentemente retêm a estrutura da sincronia temporal devido a essa vantagem significativa, bem como ao forte suporte experimental para a existência de oscilações cerebrais globais. miniaturadaimagem|Ondas gama registradas em um EEG Tem sido amplamente observado que conjuntos distribuídos de neurônios oscilam dentro da banda gama de frequências (tipicamente entre 30 e 80 Hz).

Mecanismos de emparelhamento fásico O modelo de Varela descreve a seleção de conjuntos celulares, por vezes denominados circuitos ressonantes ou reverberantes (Lorente de Nó), como sendo integrados num conjunto maior através do acoplamento de fase transitório dos picos. Isto resolve a dificuldade explicativa da natureza simultânea da ligação, uma vez que permite que muitos sinais transitem em paralelo dentro de uma gama de frequências sobrepostas sem interferência.

Crítica Os modelos de ligação temporal foram criticados por alguns por serem injustificados devido à sua natureza especulativa de longo alcance. Esta afirmação é geralmente feita em favor de um modelo mais clássico de função neural.

Modelos quânticos miniaturadaimagem|O receptor NMDA atua como um detector de coincidência que requer a ligação de múltiplos ligantes (por exemplo, glutamato e glicina, como ilustrado aqui) para ativação. Modelos elaborados mais recentemente consideraram em sua estruturaa teoria quântica como um componente da dinâmica neural subjacente à ligação, devido ao forte poder explicativo da mecânica quântica e à sua alegação de insuficiência dos modelos atuais para explicar a complexidade do mecanismo de ligação.

Em 2001, da Rocha desenvolveu um modelo que utilizava a estrutura básica da Hipótese de Ligação Temporal, com a sincronização de fase global sendo um mecanismo primário de distribuição de informações, mas enfatizava a importância de uma computação quântica realizada em nível local.Seu modelo descreve o receptor NMDA como o detector de coincidência proposto em outras teorias. Este é um mecanismo fisiológico que tem sido criticado por estar ausente de uma teoria completa de ligação temporal anteriormente.

Transporte de elétrons do neurônio catecolaminérgico (CNET) Foi desenvolvido um mecanismo de sinalização neural em certos neurônios catecolaminérgicos que utiliza o transporte de elétrons mecânico quântico (Transporte de Elétrons em Neurônios Catecolaminérgicos, ou CNET). A hipótese baseia-se, em parte, na observação, por muitos pesquisadores independentes, de que o tunelamento de elétrons ocorre na ferritina (uma proteína de armazenamento de ferro prevalente nesses neurônios) à temperatura ambiente e em condições ambientais. Os pesquisadores defendem a ideia de que a função desse mecanismo seria auxiliar na seleção de ações, mas o próprio mecanismo seria capaz de integrar milhões de sinais neurais cognitivos e sensoriais, utilizando um mecanismo físico associado a fortes interações elétron-elétron. A hipótese previu uma série de propriedades físicas desses neurônios que foram posteriormente observadas experimentalmente, como o tunelamento de elétrons no tecido da substância negra pars compacta (SNc) e a presença de arranjos desordenados de ferritina no tecido da SNc. A hipótese também sugere que arranjos desordenados de ferritina, como os encontrados no tecido da SNc, poderiam ser capazes de suportar o transporte de elétrons de longo alcance e fornecer uma função de comutação ou roteamento, ambas as quais foram observadas em pesquisas.