Les chercheurs ont développé un modèle informatique du cortex humain qui relie sa chimie microscopique à ses schémas d’activité à l’échelle du cerveau, fournissant ainsi de nouvelles preuves que les différences régionales dans la densité des récepteurs contribuent à façonner la manière dont l’activité et l’information se déplacent dans le cerveau.
L’étude a été publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS). Il a été développé à l’aide de The Virtual Brain (TVB), une plateforme open source de simulation du cerveau entier qui fait partie de l’infrastructure de recherche EBRAINS, et a été soutenu en partie par le projet EBRAINS 2.0 et le projet Virtual Brain Twin.
L’un des principaux défis des neurosciences consiste à comprendre comment les processus qui se produisent au niveau moléculaire influencent le comportement du cerveau dans son ensemble. Notre étude fournit un exemple concret de la façon dont nous pouvons commencer à relier ces échelles très différentes dans le même cadre informatique. »
Leonardo Dalla Porta, chercheur à l’Institut d’investigations biomédicales August Pi i Sunyer (IDIBAPS) et premier auteur de l’étude
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 de la densité des récepteurs muscariniques de l’acétylcholine – une cible clé du neuromodulateur acétylcholine – dans 68 régions du cerveau, superposées aux connexions structurelles réelles du cerveau. En simulant une gamme d’états allant de l’éveil au sommeil, les chercheurs ont découvert que cette hétérogénéité biologiquement fondée augmentait la coordination entre les régions du cerveau et améliorait le flux d’informations par rapport à un modèle dans lequel toutes les régions se comportaient de manière identique.
« Les modèles du cerveau entier offrent aux neuroscientifiques des systèmes un aperçu approfondi de l’impact global des phénomènes locaux, nous donnant une meilleure compréhension des mécanismes et générant des prédictions testables. Cette étude est un exemple de l’impact de l’hétérogénéité inter-réelle sur la façon dont les états cérébraux globaux et locaux sont générés », déclare Maria V. Sanchez-Vives, chercheuse à l’IDIBAPS et dernière auteure de l’étude.
Le modèle a également reproduit spontanément un phénomène observé dans de vrais cerveaux : des ondes lentes localisées, semblables à celles du sommeil, apparaissant dans certaines régions tandis que le reste du cortex reste dans un état d’éveil, précédemment observé lors de manques d’attention, de privation de sommeil et autour de lésions cérébrales.
Les résultats mettent en lumière la façon dont les détails au niveau moléculaire peuvent façonner de manière significative l’activité à l’échelle du cerveau, offrant un cadre qui, selon les auteurs, pourrait éventuellement aider à expliquer transitions d’état dans des conditions telles que des lésions cérébrales ou des troubles de la conscience.
Les travaux suggèrent également que les neuromodulateurs tels que l’acétylcholine n’agissent pas uniformément dans le cerveau. Au lieu de cela, leurs effets dépendent de l’endroit où leurs récepteurs sont concentrés, ce qui signifie que le même signal chimique peut produire différentes dynamiques de réseau dans différentes régions corticales – une découverte qui, combinée à la connectivité structurelle sous-jacente, pourrait aider les futurs modèles à comprendre comment le cerveau passe de l’éveil au sommeil et aux états modifiés.
