แบบจำลองสมองสุดล้ำเชื่อมเคมีระดับโมเลกุลกับกิจกรรมของสมองทั้งซีก

เป็นเวลาหลายสิบปีที่แบบจำลองสมองขนาดใหญ่มักปฏิบัติต่อทุกบริเวณของคอร์เทกซ์ราวกับว่าทำงานเหมือนกันหมด ทีมนักวิจัยได้สร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่ทลายข้อจำกัดนี้ โดยเชื่อมโยงเคมีระดับโมเลกุลของสมองเข้ากับรูปแบบกิจกรรมของสมองทั้งซีก งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences ให้หลักฐานใหม่ว่าความแตกต่างในระดับภูมิภาคของความหนาแน่นของตัวรับมีส่วนช่วยกำหนดวิธีการเคลื่อนที่ของกิจกรรมและข้อมูลในสมอง

วิธีสร้างแบบจำลอง

นักวิจัยสร้างแบบจำลองโดยผสานแผนที่ความหนาแน่นของตัวรับอะเซทิลโคลีนชนิด muscarinic ที่ได้จากการสแกน PET ใน 68 บริเวณคอร์เทกซ์ เข้าไปใน The Virtual Brain (TVB) ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มจำลองสมองทั้งซีกแบบโอเพนซอร์ส พวกเขานำแผนที่ความหนาแน่นของตัวรับที่มีการกระจายตัวแตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ มาวางซ้อนบนเส้นใยเชื่อมต่อโครงสร้างจริงของสมอง (human connectome) และใช้แบบจำลอง mean-field ทางชีวฟิสิกส์ เพื่อจำลองพลวัตของระบบประสาทตั้งแต่สภาวะตื่นจนถึงหลับ

แทนที่จะสมมติว่าคอร์เทกซ์ทุกบริเวณมีคุณสมบัติเหมือนกัน แต่ละบริเวณใน 68 แห่งมีโปรไฟล์ความหนาแน่นของตัวรับเป็นของตัวเอง ทำให้แบบจำลองสามารถจับภาพว่าสัญญาณเคมีที่เหมือนกันสามารถสร้างผลต่อเครือข่ายประสาทที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลในท้องถิ่น แนวทางนี้ต่อยอดจากงานวิจัยที่เพิ่มมากขึ้นซึ่งแสดงว่าการกระจายตัวของตัวรับสารสื่อประสาทไม่ได้สุ่ม แต่เป็นไปตามความลาดชันเชิงพื้นที่ที่มีการจัดระเบียบทั่วคอร์เทกซ์

ผลการค้นพบหลัก

การซิงโครไนซ์และการไหลของข้อมูลที่เพิ่มขึ้น

การใส่ความแตกต่างของตัวรับที่สมจริงช่วยปรับปรุงการเชื่อมต่อหน้าที่ระหว่างบริเวณ (interareal functional connectivity) และการส่งข้อมูล (information routing) อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับแบบจำลองที่ทุกบริเวณมีพฤติกรรมเหมือนกัน ความหลากหลายทางชีวภาพนี้สนับสนุนสภาวะสมองที่ยืดหยุ่นและประสานงานกันมากขึ้น ผลลัพธ์สอดคล้องกับงานก่อนหน้าที่แสดงว่าความแตกต่างตามลำดับชั้นของความแข็งแรงของไซแนปส์ในท้องถิ่นช่วยปรับปรุงความแม่นยำของแบบจำลองต่อการเชื่อมต่อหน้าที่ในสภาวะพักที่วัดด้วย fMRI

คลื่นช้าเฉพาะที่เกิดขึ้นเอง

บางทีผลลัพธ์ที่โดดเด่นที่สุดคือ แบบจำลองสามารถสร้างปรากฏการณ์จริงของสมองขึ้นมาได้เอง นั่นคือคลื่นช้าแบบหลับ (sleep-like slow oscillations) ที่ปรากฏในบริเวณคอร์เทกซ์เฉพาะแห่ง ในขณะที่คอร์เทกซ์ส่วนอื่นยังคงอยู่ในสภาวะคล้ายตื่น สิ่งนี้เลียนแบบสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการขาดสมาธิ การอดนอน และรอบๆ รอยโรคในสมอง ผลลัพธ์สอดคล้องกับงานวิจัยก่อนหน้าที่แสดงว่าระดับอะเซทิลโคลินที่ต่ำระหว่างการนอนหลับกระตุ้นให้ไมโครเซอร์กิตทำงานในจังหวะคลื่นช้าและเกิดการซิงโครไนซ์ของเครือข่าย

การปรับสัญญาณประสาทเฉพาะบริเวณ

อะเซทิลโคลีนไม่ได้ออกฤทธิ์สม่ำเสมอทั่วสมอง ผลของมันขึ้นอยู่กับว่าตัวรับกระจุกตัวอยู่ที่ใด หมายความว่าสัญญาณเคมีเดียวกันสามารถสร้างพลวัตของเครือข่ายที่แตกต่างกันในบริเวณคอร์เทกซ์ต่างๆ ความเข้มข้นของ ACh สูง เช่น ระหว่างการตื่นหรือภาระงานที่ต้องใช้สมาธิ จะทำให้กิจกรรมของเครือข่ายแยกส่วน (desynchronize) ในขณะที่ระดับ ACh ต่ำจะทำให้รูปแบบคลื่นช้าที่ซิงโครไนซ์กันปรากฏขึ้น

สะพานเชื่อมระหว่างสเกล

การศึกษานี้ให้กรอบการคำนวณที่เป็นรูปธรรมซึ่งเชื่อมต่อเคมีโมเลกุลระดับจุลภาค (การกระจายตัวของตัวรับ) เข้ากับกิจกรรมหน้าที่ของสมองในระดับมหภาคทั่วทั้งสมอง ผู้เขียนเสนอว่าแนวทางนี้อาจช่วยอธิบายการเปลี่ยนสถานะในความผิดปกติของสติสัมปชัญญะ การบาดเจ็บของสมองแบบโฟกัส และโรคระบบประสาทเสื่อม

ความสำคัญของงานวิจัยนี้

แบบจำลองสมองขนาดใหญ่ส่วนใหญ่มักทำให้ทุกอย่างง่ายขึ้นโดยปฏิบัติต่อทุกบริเวณคอร์เทกซ์ราวกับทำงานเหมือนกัน แบบจำลองใหม่นี้ใช้แนวทางที่แตกต่าง โดยรวมแผนที่รายละเอียดของความหนาแน่นของตัวรับอะเซทิลโคลีนชนิด muscarinic เพื่อสร้างการจำลองที่สมจริงยิ่งขึ้นว่าสมองอาจเปลี่ยนระหว่างสภาวะรู้ตัวและไม่รู้ตัวได้อย่างไร

แบบจำลองนี้พัฒนาขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ The Virtual Brain Twin Project และโครงสร้างพื้นฐานการวิจัย EBRAINS 2.0 งานนี้นำโดย Leonardo Dalla Porta ที่ Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS) ร่วมกับนักวิจัยจาก CEITEC - Central European Institute of Technology