Uusi aivomalli paljastaa, miten aivokuoren alueellinen kemia ohjaa hermoverkkojen dynamiikkaa

Sen sijaan, että aivokuoren ominaisuudet olisi oletettu yhtenäisiksi, jokaisella 68 alueesta oli oma reseptoritiheysprofiilinsa. Tämä mahdollisti sen, että malli pystyi kuvaamaan, miten identtiset kemialliset signaalit tuottavat erilaisia verkostovaikutuksia riippuen paikallisesta molekyyliarkkitehtuurista . Lähestymistapa pohjautuu kasvavaan tutkimusnäyttöön siitä, että välittäjäainereseptorien jakaumat eivät ole satunnaisia vaan noudattavat järjestäytyneitä spatiaalisia gradientteja aivokuoren läpi .

Keskeiset löydökset

Parempi synkronisaatio ja tiedonkulku

Kun malliin sisällytettiin realistinen reseptorien vaihtelu, aivoalueiden välinen toiminnallinen yhteys (functional connectivity) ja tiedon reititys paranivat merkittävästi verrattuna malliin, jossa kaikki alueet käyttäytyivät identtisesti . Tämä biologinen vaihtelu tukee joustavampia ja koordinoidumpia aivotiloja . Löydös on linjassa aiemman tutkimuksen kanssa, joka osoitti, että paikallisten synapsivahvuuksien hierarkkinen vaihtelu parantaa mallin sopivuutta fMRI:llä mitattuun lepotilan toiminnalliseen yhteyteen .

Spontaanit paikalliset hitaat aallot

Ehkä silmiinpistävin tulos: malli tuotti luonnollisesti todellisen aivojen ilmiön – unenkaltaisia hitaita värähtelyjä tietyillä aivokuoren alueilla samalla kun muu aivokuori pysyi valveen kaltaisessa tilassa . Tämä jäljittelee sitä, mitä tapahtuu tarkkaavaisuuden herpaantuessa, univajeessa ja aivovaurioiden läheisyydessä . Löydös on yhdenmukainen aiemman tutkimuksen kanssa, joka osoitti, että alhainen asetyylikoliinitaso unen aikana ajaa mikropiirien aktiivisuuden hitaisiin värähtelyihin ja verkoston synkroniaan .

Aluekohtainen neuromodulaatio

Asetyylikoliini ei vaikuta aivoissa tasaisesti. Sen vaikutukset riippuvat siitä, missä sen reseptorit ovat keskittyneet, mikä tarkoittaa, että sama kemiallinen signaali voi tuottaa erilaisia verkostodynamiikkoja eri aivokuorialueilla . Korkeat asetyylikoliinipitoisuudet, kuten valveilla tai tarkkaavaisuustehtävissä, hajottavat verkoston aktiivisuutta (desynkronointi), kun taas matalat pitoisuudet mahdollistavat synkronoitujen hitaiden aaltojen syntymisen .

Silta mittakaavojen välillä

Tutkimus tarjoaa konkreettisen laskennallisen viitekehyksen, joka yhdistää mikroskooppisen molekyylikemian (reseptorijakauma) makroskooppiseen, koko aivojen kattavaan toiminnalliseen aktiivisuuteen . Kirjoittajat ehdottavat, että tämä lähestymistapa voi auttaa selittämään tilasiirtymiä tajunnan häiriöissä, paikallisissa aivovammoissa ja hermorappeumasairauksissa .

Miksi tämä on tärkeää

Useimmat laajamittaiset aivomallit yksinkertaistavat todellisuutta käsittelemällä jokaista aivokuoren aluetta ikään kuin se toimisi samalla tavalla . Tämä uusi malli ottaa toisenlaisen lähestymistavan: se sisältää yksityiskohtaiset kartat muskariiniasetyylikoliinireseptorien tiheyksistä, luoden realistisemman simulaation siitä, miten aivot saattavat siirtyä tajuisen ja tajuttoman tilan välillä .

Malli kehitettiin osana The Virtual Brain Twin Project -projektia ja EBRAINS 2.0 -tutkimusinfrastruktuuria . Työtä johti Leonardo Dalla Porta Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS) -instituutissa yhteistyössä CEITEC - Central European Institute of Technology -instituutin tutkijoiden kanssa .