Un modèle informatique du cerveau entier relie la densité des récepteurs d’acétylcholine à la dynamique neuronale

Pendant des décennies, les modèles cérébraux à grande échelle traitaient chaque région corticale comme si elle fonctionnait de la même manière. Une équipe de chercheurs a désormais construit un modèle informatique qui rompt avec cette simplification, en liant la chimie moléculaire du cerveau à ses schémas d'activité à l'échelle globale. L'étude, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, apporte de nouvelles preuves que les différences régionales de densité des récepteurs aident à façonner la manière dont l'activité et l'information circulent dans le cerveau .

Comment le modèle a été construit

Les chercheurs ont construit le modèle en intégrant des cartes empiriques de densité des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine, obtenues par TEP (tomographie par émission de positons), dans The Virtual Brain (TVB), une plateforme de simulation ouverte du cerveau entier . Ils ont superposé ces cartes de récepteurs spatialement hétérogènes sur les connexions structurelles réelles du cerveau (le connectome humain) et ont utilisé des modèles de champ moyen biophysiquement fondés pour simuler la dynamique neuronale dans des états allant de l'éveil au sommeil .

Au lieu de supposer des propriétés corticales uniformes, chacune des 68 régions avait son propre profil de densité de récepteurs, permettant au modèle de capturer comment des signaux chimiques identiques produisent des effets réseau distincts en fonction de l'architecture moléculaire locale . Cette approche s'appuie sur un nombre croissant de recherches montrant que les distributions des récepteurs de neurotransmetteurs ne sont pas aléatoires mais suivent des gradients spatiaux organisés à travers le cortex .

Résultats clés

Synchronisation et flux d'informations améliorés

L'intégration d'une hétérogénéité réaliste des récepteurs a considérablement amélioré la connectivité fonctionnelle interrégionale et le routage de l'information par rapport à un modèle où toutes les régions se comportaient de manière identique . Cette variabilité biologique favorise des états cérébraux plus flexibles et coordonnés . Ce résultat s'aligne sur des travaux antérieurs montrant que l'hétérogénéité hiérarchique des forces synaptiques locales améliore l'ajustement du modèle à la connectivité fonctionnelle mesurée par IRMf au repos .

Ondes lentes localisées spontanées

Résultat peut-être le plus frappant : le modèle a naturellement reproduit un phénomène cérébral réel — des oscillations lentes semblables à celles du sommeil apparaissant dans des régions corticales spécifiques tandis que le reste du cortex restait dans un état semblable à l'éveil . Cela imite ce qui se produit lors des baisses d'attention, de la privation de sommeil et autour des lésions cérébrales . Ce résultat est cohérent avec des recherches antérieures montrant que de faibles niveaux d'acétylcholine pendant le sommeil entraînent l'activité des microcircuits vers des oscillations lentes et une synchronisation réseau .

Neuromodulation spécifique à la région

L'acétylcholine n'agit pas de manière uniforme dans le cerveau. Ses effets dépendent de l'endroit où ses récepteurs sont concentrés, ce qui signifie que le même signal chimique peut produire différentes dynamiques de réseau dans différentes zones corticales . Des concentrations élevées d'acétylcholine, comme celles observées pendant l'éveil ou les tâches attentionnelles, désynchronisent l'activité du réseau, tandis que de faibles niveaux d'acétylcholine permettent l'émergence de schémas d'ondes lentes synchronisés .

Un pont entre les échelles

L'étude fournit un cadre computationnel concret reliant la chimie moléculaire microscopique (distribution des récepteurs) à l'activité fonctionnelle macroscopique à l'échelle du cerveau entier . Les auteurs suggèrent que cette approche pourrait aider à expliquer les transitions d'état dans les troubles de la conscience, les lésions cérébrales focales et les maladies neurodégénératives .

Pourquoi c'est important

La plupart des modèles cérébraux à grande échelle simplifient les choses en traitant chaque région corticale comme si elle fonctionnait de la même manière . Ce nouveau modèle adopte une approche différente : il intègre des cartes détaillées des densités des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine, créant une simulation plus réaliste de la façon dont le cerveau pourrait passer d'un état conscient à un état inconscient .

Le modèle a été développé dans le cadre du projet The Virtual Brain Twin et de l'infrastructure de recherche EBRAINS 2.0 . Les travaux ont été dirigés par Leonardo Dalla Porta à l'Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), en collaboration avec des chercheurs du CEITEC - Institut central européen de technologie .