Un modelo computacional de todo el cerebro revela cómo la química regional da forma a la actividad neuronal

En lugar de asumir propiedades corticales uniformes, cada una de las 68 regiones tenía su propio perfil de densidad de receptores, lo que permitió al modelo capturar cómo las señales químicas idénticas producen efectos de red distintos dependiendo de la arquitectura molecular local . Este enfoque se basa en un creciente cuerpo de investigación que muestra que las distribuciones de los receptores de neurotransmisores no son aleatorias, sino que siguen gradientes espaciales organizados a través de la corteza .

Hallazgos clave

Sincronización mejorada y flujo de información

Incorporar una heterogeneidad realista de receptores mejoró significativamente la conectividad funcional entre áreas y el enrutamiento de información en comparación con un modelo donde todas las regiones se comportaban de manera idéntica . Esta variabilidad biológica favorece estados cerebrales más flexibles y coordinados . El hallazgo se alinea con trabajos anteriores que muestran que la heterogeneidad jerárquica de las fuerzas sinápticas locales mejora el ajuste del modelo a la conectividad funcional en estado de reposo medida por fMRI .

Ondas lentas localizadas espontáneas

Quizás el resultado más llamativo: el modelo reprodujo de forma natural un fenómeno cerebral real: oscilaciones lentas similares a las del sueño que aparecen en regiones corticales específicas mientras el resto de la corteza permanece en un estado similar al de vigilia . Esto imita lo que ocurre durante los lapsos de atención, la privación del sueño y alrededor de las lesiones cerebrales . El hallazgo es consistente con investigaciones previas que muestran que los niveles bajos de acetilcolina durante el sueño llevan la actividad del microcircuito a oscilaciones lentas y sincronía de la red .

Neuromodulación específica de la región

La acetilcolina no actúa de manera uniforme en todo el cerebro. Sus efectos dependen de dónde se concentran sus receptores, lo que significa que la misma señal química puede producir diferentes dinámicas de red en diferentes áreas corticales . Las concentraciones altas de ACh, como las que se dan durante la vigilia o tareas de atención, desincronizan la actividad de la red, mientras que los niveles bajos de ACh permiten que surjan patrones sincronizados de ondas lentas .

Un puente entre escalas

El estudio proporciona un marco computacional concreto que conecta la química molecular microscópica (distribución de receptores) con la actividad funcional macroscópica de todo el cerebro . Los autores sugieren que este enfoque podría ayudar a explicar las transiciones de estado en trastornos de la conciencia, lesiones cerebrales focales y enfermedades neurodegenerativas .

Por qué esto es importante

La mayoría de los modelos cerebrales a gran escala simplifican las cosas tratando cada región cortical como si funcionara de la misma manera . Este nuevo modelo adopta un enfoque diferente: incorpora mapas detallados de las densidades del receptor muscarínico de acetilcolina, creando una simulación más realista de cómo el cerebro podría realizar la transición entre estados conscientes e inconscientes .

El modelo se desarrolló como parte de The Virtual Brain Twin Project y la infraestructura de investigación EBRAINS 2.0 . El trabajo fue liderado por Leonardo Dalla Porta en el Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), en colaboración con investigadores del CEITEC - Central European Institute of Technology .