Jak mozek přepíná mezi stavy: Počítačový model spojuje molekulární chemii s celomozkovou aktivitou

Místo předpokladu, že všechny korové oblasti mají jednotné vlastnosti, dostala každá z 68 oblastí svůj vlastní profil hustoty receptorů. To modelu umožnilo zachytit, jak stejné chemické signály vyvolávají odlišné síťové efekty v závislosti na lokální molekulární architektuře . Tento přístup navazuje na rostoucí množství výzkumů, které ukazují, že distribuce neurotransmiterových receptorů není náhodná, ale sleduje organizované prostorové gradienty napříč mozkovou kůrou .

Klíčová zjištění

Zlepšená synchronizace a tok informací

Začlenění realistické receptorové heterogenity výrazně zlepšilo mezioblastní funkční konektivitu a směrování informací ve srovnání s modelem, kde se všechny oblasti chovaly identicky . Tato biologická variabilita podporuje flexibilnější a koordinovanější mozkové stavy . Zjištění je v souladu s dřívější prací, která ukázala, že hierarchická heterogenita lokální synaptické síly zlepšuje shodu modelu s klidovou funkční konektivitou měřenou fMRI .

Spontánní lokalizované pomalé vlny

Snad nejpozoruhodnější výsledek: model přirozeně reprodukoval reálný mozkový fenomén – spánkové pomalé oscilace objevující se ve specifických korových oblastech, zatímco zbytek mozkové kůry zůstával v bdělém stavu . To napodobuje to, co se děje při výpadcích pozornosti, spánkové deprivaci a v okolí mozkových lézí . Toto zjištění je konzistentní s předchozím výzkumem, který ukázal, že nízké hladiny acetylcholinu během spánku pohánějí aktivitu mikrookruhů do pomalých oscilací a síťové synchronie .

Oblastně specifická neuromodulace

Acetylcholin nepůsobí v mozku jednotně. Jeho účinky závisí na tom, kde jsou jeho receptory koncentrovány – stejný chemický signál tak může v různých korových oblastech vyvolat odlišnou síťovou dynamiku . Vysoké koncentrace ACh, například při bdělosti nebo pozornostních úkolech, desynchronizují síťovou aktivitu, zatímco nízké hladiny ACh umožňují vznik synchronizovaných vzorců pomalých vln .

Most mezi měřítky

Studie poskytuje konkrétní výpočetní rámec propojující mikroskopickou molekulární chemii (distribuci receptorů) s makroskopickou, celomozkovou funkční aktivitou . Autoři naznačují, že by tento přístup mohl pomoci vysvětlit přechody mezi stavy u poruch vědomí, ložiskových poranění mozku a neurodegenerativních onemocnění .

Proč na tom záleží

Většina rozsáhlých modelů mozku věci zjednodušuje tím, že se ke každé korové oblasti chová, jako by fungovala stejně . Tento nový model volí jiný přístup: zahrnuje detailní mapy hustoty muskarinových acetylcholinových receptorů, čímž vytváří realističtější simulaci toho, jak by mozek mohl přecházet mezi vědomými a nevědomými stavy .

Model byl vyvinut jako součást projektu The Virtual Brain Twin Project a výzkumné infrastruktury EBRAINS 2.0 . Práci vedl Leonardo Dalla Porta z Institutu biomedicínského výzkumu August Pi i Sunyer (IDIBAPS) ve spolupráci s výzkumníky z CEITEC – Středoevropského technologického institutu .