Ny computermodel af hjernen forbinder molekylær kemi med hjerneomspændende aktivitet

I stedet for at antage ensartede kortikale egenskaber fik hvert af de 68 områder sin egen receptor-tæthedsprofil, så modellen kunne fange, hvordan identiske kemiske signaler giver forskellige netværkseffekter afhængigt af den lokale molekylære arkitektur . Denne tilgang bygger på en voksende mængde forskning, der viser, at neurotransmitter-receptorfordelinger ikke er tilfældige, men følger organiserede rumlige gradienter på tværs af hjernebarken .

Centrale resultater

Øget synkronisering og informationsflow

Inddragelse af realistisk receptor-heterogenitet forbedrede markant den funktionelle forbindelse mellem områder og informationsruting sammenlignet med en model, hvor alle områder opførte sig ens . Denne biologiske variation understøtter mere fleksible og koordinerede hjernetilstande . Resultatet flugter med tidligere arbejde, der viser, at hierarkisk heterogenitet i lokale synaptiske styrker forbedrer modellens overensstemmelse med fMRI-målt funktionel forbindelse i hvilende tilstand .

Spontane lokaliserede langsomme bølger

Måske det mest slående resultat: modellen genskabte naturligt et virkeligt hjernefænomen – søvnlignende langsomme oscillationer i bestemte kortikale områder, mens resten af hjernebarken forblev i en vågenlignende tilstand . Dette efterligner, hvad der sker under opmærksomhedssvigt, søvnmangel og omkring hjernelæsioner . Resultatet er i overensstemmelse med tidligere forskning, der viser, at lave niveauer af acetylkolin under søvn driver mikrokredsløbsaktivitet over i langsomme oscillationer og netværkssynkroni .

Regionsspecifik neuromodulation

Acetylkolin virker ikke ensartet i hele hjernen. Dets virkning afhænger af, hvor dets receptorer er koncentreret, hvilket betyder, at det samme kemiske signal kan producere forskellig netværksdynamik i forskellige kortikale områder . Høje ACh-koncentrationer, som under vågenhed eller opmærksomhedskrævende opgaver, afsynkroniserer netværksaktivitet, mens lave ACh-niveauer tillader synkroniserede langsomme bølgemønstre at opstå .

En bro mellem skalaer

Studiet leverer en konkret beregningsmæssig ramme, der forbinder mikroskopisk molekylær kemi (receptorfordeling) med makroskopisk, hjerneomspændende funktionel aktivitet . Forfatterne foreslår, at denne tilgang kan hjælpe med at forklare tilstandsændringer ved bevidsthedsforstyrrelser, fokale hjerneskader og neurodegenerative sygdomme .

Hvorfor det betyder noget

De fleste store hjernemodeller forenkler tingene ved at behandle alle kortikale områder, som om de fungerede på samme måde . Denne nye model tager en anden tilgang: den indarbejder detaljerede kort over muskarine acetylkolin-receptorers tæthed og skaber en mere realistisk simulation af, hvordan hjernen kan skifte mellem bevidste og ubevidste tilstande .

Modellen blev udviklet som en del af The Virtual Brain Twin Project og EBRAINS 2.0 forskningsinfrastruktur . Arbejdet blev ledet af Leonardo Dalla Porta ved Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS) i samarbejde med forskere ved CEITEC - Central European Institute of Technology .