뇌 전체 컴퓨터 모델, 아세틸콜린 수용체 밀도가 신경 역학에 미치는 영향 규명

각 영역이 균일한 피질 특성을 가진다고 가정하는 대신, 68개 영역 각각은 고유한 수용체 밀도 프로필을 가지도록 설계되어, 동일한 화학 신호가 국소 분자 구조에 따라 어떻게 다른 네트워크 효과를 만들어내는지 포착할 수 있게 했습니다 . 이 접근법은 신경전달물질 수용체 분포가 무작위적이지 않고 피질 전반에 걸쳐 조직화된 공간적 구배(gradient)를 따른다는 기존 연구 결과를 바탕으로 합니다 .

주요 발견

향상된 동기화 및 정보 흐름

실제 수용체 이질성을 모델에 통합했을 때, 모든 영역이 동일하게 행동하는 모델에 비해 영역 간 기능적 연결성과 정보 라우팅이 크게 개선되었습니다 . 이러한 생물학적 다양성은 더 유연하고 조정된 뇌 상태를 지원합니다 . 이 발견은 국소 시냅스 강도의 계층적 이질성이 fMRI로 측정한 휴식 상태 기능적 연결성에 대한 모델 적합도를 개선한다는 초기 연구 결과와도 일치합니다 .

자연스러운 국소 서파(느린 파동) 발생

아마도 가장 놀라운 결과는 모델이 실제 뇌 현상, 즉 나머지 피질이 각성 상태를 유지하는 동안 특정 피질 영역에서만 수면과 유사한 느린 진동(서파)이 자연스럽게 나타난 점입니다 . 이는 주의력 결핍, 수면 부족, 뇌 병변 주변에서 발생하는 현상과 일치합니다 . 이 결과는 수면 중 낮은 아세틸콜린 수준이 미세회로 활동을 느린 진동과 네트워크 동기화로 이끈다는 이전 연구와도 일관됩니다 .

영역 특이적 신경조절

아세틸콜린은 뇌 전체에 균일하게 작용하지 않습니다. 그 효과는 수용체가 집중된 위치에 따라 달라지며, 이는 동일한 화학 신호라도 피질 영역에 따라 다른 네트워크 역학을 생성할 수 있음을 의미합니다 . 각성 상태나 주의 작업 중과 같은 높은 ACh 농도는 네트워크 활동을 탈동기화하는 반면, 낮은 ACh 수준은 동기화된 서파 패턴이 나타나도록 합니다 .

규모 간 연결 고리

이 연구는 미시적 분자 화학(수용체 분포)을 거시적이고 뇌 전체에 걸친 기능적 활동과 연결하는 구체적인 계산 프레임워크를 제공합니다 . 연구진은 이 접근법이 의식 장애, 국소 뇌 손상, 신경퇴행성 질환에서의 상태 전환을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다 .

이것이 중요한 이유

대부분의 대규모 뇌 모델은 모든 피질 영역이 동일하게 작동한다고 단순화합니다 . 이 새로운 모델은 다른 접근법을 취합니다. 무스카린성 아세틸콜린 수용체 밀도의 상세한 지도를 통합함으로써 뇌가 의식 상태와 무의식 상태 사이를 어떻게 전환하는지에 대한 더 현실적인 시뮬레이션을 생성합니다 .

이 모델은 The Virtual Brain Twin Project와 EBRAINS 2.0 연구 인프라의 일부로 개발되었습니다 . 이 연구는 바르셀로나 IDIBAPS(Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer)의 Leonardo Dalla Porta가 주도하고, CEITEC(중앙유럽 기술 연구소)의 연구진이 공동으로 참여했습니다 .