O que Tolhurst et al. (1981) e Dean (1981) constataram, portanto, foi que, no nível da geração de potenciais de ação, os neurônios corticais podiam ser descritos como essencialmente estocásticos. Tratava-se de um resultado surpreendente na época, e ele foi amplamente confirmado (Rieke et al. 1997, Shadlen & Newsome 1998). Qual é, então, a fonte dessa aparente estocasticidade, e uma análise biofísica mais detalhada do mecanismo de geração de espículas revelaria um processo determinístico subjacente que produziria essa aparente indeterminação?

Para examinar uma resposta possível a essa pergunta, Mainen & Sejnowski (1995) procuraram determinar se o processo biofísico que de fato gera potenciais de ação em resposta a variações na voltagem de membrana era determinado...

Constataram eles que o mecanismo gerador de espículas era plenamente determinístico. Um determinado padrão de voltagem de membrana dava origem a exatamente o mesmo padrão de potenciais de ação, não importando quantas vezes fosse injetado na célula.

Por um lado, este foi um resultado tranquilizador. Em sua base, verificou-se que o padrão de geração de potenciais de ação era governado por um dispositivo determinado. No entanto, por outro lado, era desconcertante. As taxas de espículas não são determinadas nesse sentido. O trabalho de Tolhurst et al. e de Dean indica que as taxas de espículas distribuem-se de maneira do tipo Poisson, e claramente nada existe no gerador de espículas no interior de cada célula que produza esse padrão. Os dados de Mainen & Sejnowski (1995) indicam que a aparente aleatoriedade nos padrões de espículas deve ser uma função da aparente aleatoriedade nas voltagens de membrana subjacentes. Quais são, então, as fontes dessas flutuações do tipo Poisson na voltagem de membrana?

Sabemos que as voltagens de membrana são governadas, em última análise, pelo padrão de ativações sinápticas que uma célula recebe dos neurônios que incidem sobre ela. Cada neurônio cortical recebe cerca de 10.000 sinapses do tecido que o circunda. O fato de aproximadamente metade dessas sinapses ser excitatória e metade ser inibitória é também importante. Isso significa que a excitação líquida e a inibição estão amplamente equilibradas em um neurônio ativo, e pequenas oscilações nesse equilíbrio fazem com que a voltagem de membrana se eleve e caia, fazendo assim com que potenciais de ação sejam gerados. Juntas, essas observações sugerem claramente uma coisa: a fonte da aparente estocasticidade na voltagem de membrana ou é um padrão determinado de ativações sinápticas que esculpe cuidadosamente a voltagem de membrana para produzir um padrão aparentemente indeterminado de potenciais de ação por razões que ainda não compreendemos, ou o próprio processo de ativação sináptica é aparentemente indeterminado.

Diversos grupos investigaram essa última possibilidade estudando a atividade de sinapses individuais (ver Auger & Marty 2000, Stevens 2003 para revisões dessa literatura). A abordagem básica adotada por esses grupos consistiu em ativar um neurônio e, em seguida, monitorar a taxa na qual vesículas sinápticas individuais são liberadas na fenda sináptica. Antes da realização desses experimentos, poder-se-ia especular que as sinapses fossem mecanismos determinados simples: quando um potencial de ação invade a região pré-sináptica, poder-se-ia presumir que vesículas sinápticas de neurotransmissor fossem deterministicamente liberadas na fenda sináptica. Estudos modernos desse processo parecem contradizer essa visão, contudo. As evidências atuais indicam que, quando um potencial de ação invade o terminal pré-sináptico, a probabilidade de que uma única vesícula sináptica seja liberada pode ser de apenas 20%. Exames dos padrões precisos de liberação vesicular sugerem que a probabilidade de uma vesícula de neurotransmissor ser liberada em resposta a um único potencial de ação pode ser descrita como um processo aleatório do tipo Poisson. A liberação vesicular parece ser um processo aparentemente indeterminado.

O estudo cuidadoso de outros elementos na sinapse parece fornecer um conjunto de resultados similares e altamente estocásticos. As membranas pós-sinápticas, por exemplo, parecem possuir apenas um número diminuto de receptores de neurotransmissores (cf. Takumi et al. 1999), e durante a transmissão sináptica tão poucas quanto uma ou duas moléculas de receptor de um determinado tipo podem ser ativadas (Nimchinski et al. 2004). Sob essas condições, um único canal iônico aberto pode permitir que um número contável de íons de cálcio ou de sódio entre no neurônio, e há evidências de que as ações de um único receptor e os poucos íons que ele canaliza para o interior da célula podem influenciar a membrana pós-sináptica. Juntos, todos esses dados sugerem que a voltagem de membrana é o produto de interações no nível atômico, muitas das quais são governadas pela física quântica e, portanto, constituem eventos verdadeiramente indeterminados. Devido à escala diminuta na qual esses processos operam, interações entre potenciais de ação e liberação de transmissores, bem como interações entre moléculas de transmissor e receptores pós-sinápticos, podem ser — e de fato parecem ser com grande probabilidade — fundamentalmente indeterminadas.

Em 1944, Schrödinger sustentou que a indeterminação fundamental do universo físico não teria efeito sobre sistemas vivos. Ele argumentou que, se os sistemas biológicos se tornassem tão pequenos que as ações de átomos ou moléculas individuais pudessem influenciar as células, os organismos resultantes certamente pereceriam do panorama evolutivo. Estudos da sinapse de mamíferos, contudo, parecem indicar que Schrödinger (1944) estava simplesmente equivocado a esse respeito. Sinapses individuais parecem ser dispositivos indeterminados; não aparentemente indeterminados, mas fundamentalmente indeterminados. Em sua base, a indeterminação física parece ser uma propriedade fundamental do cérebro. Mas quão seguros podemos estar de que essa indeterminação fundamental no nível da sinapse tem algo a ver com a indeterminação no nível de um neurônio cortical individual, no nível de uma rede cortical, no nível do comportamento ou no nível de uma teoria social do comportamento?

As evidências que temos hoje sugerem que a voltagem da membrana pode ser influenciada por eventos de nível quântico, como o movimento aleatório de íons individuais de cálcio. Portanto, há todas as razões para crer que a voltagem da membrana pode ser vista, ao menos sob certas circunstâncias, como um processo formalmente indeterminado do tipo que inviabiliza a falseabilidade popperiana. De que modo essa voltagem da membrana influencia a geração do potencial de ação? Recorde-se de que as células recebem uma mistura de excitação e inibição de milhares de sinapses e que a proporção dessa mistura é variável. Imagine que as correlações entre a atividade das sinapses individuais que incidem sobre uma dada célula fossem variáveis. Sob condições em que a atividade de muitas sinapses é correlacionada e a voltagem da membrana é levada ou muito acima ou muito abaixo de seu limiar para a geração do potencial de ação, a própria rede de neurônios manteria uma característica em grande parte determinada, mesmo que as próprias sinapses pudessem parecer estocásticas. Alternativamente, quando a atividade sináptica não é correlacionada e as forças de excitação e inibição estão equilibradas, pequenas flutuações não correlacionadas nas probabilidades sinápticas conduzem as células para cima ou para baixo do limiar. Sob essas condições, a indeterminação nas sinapses se propaga para a voltagem da membrana e, a partir daí, para o padrão de geração do potencial de ação. A indeterminação no padrão de geração do potencial de ação, embora variável, refletiria uma indeterminação fundamental no sistema nervoso.

No nível do comportamento, a aparente indeterminação é reforçada pelo ambiente e já foi observada. Os animais podem produzir comportamentos que parecem indeterminados aos cientistas. Como surge essa aparente indeterminação? Dado o que sabemos sobre o comportamento das sinapses e dos potenciais de ação, duas possibilidades se apresentam. A indeterminação fundamental observada no nível celular poderia ser impedida de influenciar fenômenos de nível superior no sistema nervoso, tornando determinados esses fenômenos de nível superior. Esses processos determinados poderiam então instanciar computações pseudoaleatórias que emulam a indeterminação celular subjacente e geram um comportamento aparentemente indeterminado. Alternativamente, podemos propor a hipótese de que a indeterminação observada no nível celular poderia se propagar para o comportamento sob certas circunstâncias, produzindo um comportamento verdadeiramente indeterminado sob algumas condições e comportamentos mais determinados sob outras.