Un nou model de computer leagă chimia creierului de tiparele de activitate neurală
Cercetătorii au dezvoltat un model de computer al cortexului uman care leagă chimia sa microscopică de tiparele de activitate la nivelul întregului creier, oferind noi dovezi că diferențele regionale în densitatea receptorilor contribuie la modul în care activitatea și informațiile circulă în creier.
Studiul a fost publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Acesta a fost realizat utilizând The Virtual Brain (TVB), o platformă de simulare a creierului la scară largă, open-source, care face parte din infrastructura de cercetare EBRAINS, fiind susținut parțial de proiectul EBRAINS 2.0 și de Proiectul The Virtual Brain Twin.
Una dintre provocările centrale în neuroștiințe este înțelegerea modului în care procesele care au loc la nivel molecular influențează comportamentul creierului în ansamblu. Studiul nostru oferă un exemplu concret despre cum putem începe să conectăm aceste scale foarte diferite într-un cadru computațional comun.
Majoritatea modelelor de creier la scară largă simplifică lucrurile tratând fiecare regiune corticală ca și cum ar funcționa în același mod. Acest nou model adoptă o abordare diferită: integrează hărți detaliate ale densității receptorilor muscarinici de acetilcolină, o țintă cheie a neuromodulatorului acetilcolină, în 68 de regiuni ale creierului, suprapuse pe conexiunile structurale reale ale creierului. Simulând o gamă de stări, de la veghe la somn, cercetătorii au descoperit că această heterogenitate bazată pe biologie a crescut coordonarea între regiunile creierului și a îmbunătățit fluxul de informații comparativ cu un model în care toate regiunile se comportau identic.
„Modelele de creier la scară largă oferă neuronaliștilor de sisteme o înțelegere profundă a impactului global al fenomenelor locale, oferindu-ne o mai bună înțelegere a mecanismelor și generând predicții testabile. Acest studiu este un exemplu al impactului heterogenității interregionale asupra modului în care se generează stările cerebrale globale și locale”, afirmă Maria V. Sanchez-Vives, cercetător la IDIBAPS și ultimul autor al studiului.
Modelul a reprodus spontan un fenomen observat în creierele reale: unde lente localizate, asemănătoare cu cele din somn, apăreau în unele regiuni, în timp ce restul cortexului rămânea într-o stare asemănătoare veghei, ceea ce a fost observat anterior în timpul lapsurilor de atenție, privarea de somn și în jurul leziunilor cerebrale.
Aceste descoperiri oferă o perspectivă asupra modului în care detaliile la nivel molecular pot influența semnificativ activitatea la nivelul întregului creier, oferind un cadru care, sugerează autorii, ar putea ajuta în cele din urmă să explice tranzițiile de stare în condiții precum leziunile cerebrale sau tulburările de conștiință.
Lucrările sugerează de asemenea că neuromodulatorii, cum ar fi acetilcolina, nu acționează uniform în întregul creier. Din contră, efectele lor depind de locul în care sunt concentrați receptorii, ceea ce înseamnă că același semnal chimic poate produce dinamici de rețea diferite în diferite regiuni corticale – o constatare care, combinată cu conectivitatea structurală de bază, ar putea ajuta modelele viitoare să capteze modul în care creierul trece între veghe, somn și stări alterate.
