Jak gęstość receptorów acetylocholiny kształtuje dynamikę całego mózgu? Przełomowy model komputerowy

Zamiast zakładać jednolite właściwości korowe, każdy z 68 obszarów miał swój własny profil gęstości receptorów, co pozwoliło modelowi uchwycić, jak identyczne sygnały chemiczne wywołują różne efekty sieciowe w zależności od lokalnej architektury molekularnej . To podejście opiera się na rosnącej liczbie badań pokazujących, że rozmieszczenie receptorów neuroprzekaźników nie jest przypadkowe, ale podlega zorganizowanym gradientom przestrzennym w korze mózgowej .

Kluczowe odkrycia

Ulepszona synchronizacja i przepływ informacji

Wprowadzenie realistycznej heterogeniczności receptorów znacząco poprawiło łączność funkcjonalną między obszarami (interareal functional connectivity) i routing informacji w porównaniu z modelem, w którym wszystkie regiony zachowywały się identycznie . Ta biologiczna zmienność wspiera bardziej elastyczne i skoordynowane stany mózgu . Odkrycie to jest zgodne z wcześniejszymi pracami, które wykazały, że hierarchiczna heterogeniczność lokalnych sił synaptycznych poprawia dopasowanie modelu do funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku mierzonej za pomocą fMRI .

Spontaniczne zlokalizowane fale wolne

Być może najbardziej uderzający wynik: model naturalnie odtworzył rzeczywiste zjawisko mózgowe — fale wolne przypominające sen pojawiające się w określonych obszarach korowych, podczas gdy reszta kory pozostawała w stanie podobnym do czuwania . Model ten naśladuje to, co dzieje się podczas chwilowych spadków uwagi (tzw. lapsusów), deprywacji snu oraz wokół uszkodzeń mózgu . Odkrycie to jest zgodne z wcześniejszymi badaniami pokazującymi, że niski poziom acetylocholiny podczas snu napędza aktywność mikroobwodów w kierunku powolnych oscylacji i synchronizacji sieci .

Neuromodulacja specyficzna dla regionu

Acetylocholina nie działa jednolicie w całym mózgu. Jej efekty zależą od tego, gdzie jej receptory są skoncentrowane, co oznacza, że ten sam sygnał chemiczny może wywoływać różną dynamikę sieci w różnych obszarach korowych . Wysokie stężenia ACh, takie jak podczas czuwania lub zadań wymagających uwagi, desynchronizują aktywność sieci, podczas gdy niskie poziomy ACh umożliwiają pojawienie się zsynchronizowanych wzorców wolnych fal .

Pomost między skalami

Badanie dostarcza konkretnych ram obliczeniowych łączących mikroskopową chemię molekularną (rozmieszczenie receptorów) z makroskopową, ogólnomózgową aktywnością funkcjonalną . Autorzy sugerują, że takie podejście może pomóc wyjaśnić przejścia stanów w zaburzeniach świadomości, ogniskowych urazach mózgu i chorobach neurodegeneracyjnych .

Dlaczego to jest ważne

Większość modeli mózgu na dużą skalę upraszcza sprawę, traktując każdy obszar kory tak, jakby działał w ten sam sposób . Ten nowy model przyjmuje inne podejście: uwzględnia szczegółowe mapy gęstości muskarynowych receptorów acetylocholiny, tworząc bardziej realistyczną symulację tego, jak mózg może przechodzić między stanami świadomymi i nieświadomymi .

Model został opracowany w ramach projektu The Virtual Brain Twin Project i infrastruktury badawczej EBRAINS 2.0 . Pracami kierował Leonardo Dalla Porta z Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), we współpracy z naukowcami z CEITEC - Central European Institute of Technology .