Computermodell zur Entschlüsselung der Vielfalt des Gehirns
Ein Computermodell, das mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte NEMESIS, EBRAINS 2.0(öffnet in neuem Fenster), VIRTUAL BRAIN TWIN(öffnet in neuem Fenster) and HBP SGA3(öffnet in neuem Fenster) entwickelt wurde, liefert wertvolle Einblicke in die Funktionsweise des menschlichen Gehirns. Wie in der Studie(öffnet in neuem Fenster), die in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht wurde, beschrieben, zeigt das Modell, dass regionale Unterschiede bei den Rezeptoren des Gehirns dazu beitragen, die neuronale Aktivität im gesamten Gehirn zu prägen.
Verknüpfung molekularer Mechanismen mit globalen Gehirnzuständen
Das Gehirn ist von Natur aus vielfältig, mit Unterschieden in seiner Chemie und Struktur, die von den kleinsten Molekülen bis hin zu großen anatomischen Regionen reichen. Allerdings hat die Wissenschaft noch nicht vollständig verstanden, wie sich diese Vielfalt auf die gesamte elektrische Aktivität des Gehirns auswirkt, und die meisten groß angelegten Gehirnmodelle vereinfachen die Sachlage, indem sie jede kortikale Region so behandeln, als würde sie auf die gleiche Weise funktionieren. „Eine der zentralen Herausforderungen in den Neurowissenschaften besteht darin, zu verstehen, wie Prozesse auf molekularer Ebene das Verhalten des Gehirns als Ganzes beeinflussen“, so Erstautor der Studie, Leonardo Dalla Porta von NEMESIS und dem HBP-SGA3-Projektpartner August Pi i Sunyer Biomedical Research Institute (IDIBAPS) in Spanien, in einer Pressemitteilung von „EurekAlert!“(öffnet in neuem Fenster). „Unsere Studie liefert ein konkretes Beispiel dafür, wie wir beginnen können, diese sehr unterschiedlichen Skalen innerhalb desselben rechnergestützten Rahmens miteinander zu verknüpfen.“ In dieser Studie entwickelten die Forschenden ein detailliertes Computermodell der Großhirnrinde, mit dem sich verschiedene Gehirnzustände simulieren lassen – vom Wachzustand bis zum Schlaf. Ihr Modell stützte sich auf reale menschliche Daten darüber, wie Gehirnregionen physisch miteinander verbunden sind und wo sich bestimmte Rezeptoren – muskarinische Acetylcholinrezeptoren – befinden, basierend sowohl auf genetischen Daten als auch auf bildgebenden Untersuchungen des Gehirns. Anhand der Rezeptorkarten wurde angepasst, wie leicht verschiedene Gehirnregionen aktiv werden. Das Team stellte fest, dass die Anpassung der Aktivitätsniveaus auf der Grundlage der natürlichen Anordnung dieser Rezeptoren das Verhalten des gesamten Hirnnetzwerks maßgeblich veränderte. Dadurch wurde die Synchronisation zwischen den Regionen verbessert und der Informationsfluss effizienter gestaltet. Dies deutet darauf hin, dass die natürliche Vielfalt des Gehirns verschiedenen Hirnregionen hilft, sich besser zu synchronisieren sowie Informationen effektiver auszutauschen, wodurch das Gehirn flexibel zwischen verschiedenen Zuständen wechseln kann.
Das Geheimnis gemischter Gehirnzustände entschlüsseln
Interessanterweise erklärt die natürliche Vielfalt des Gehirns auch das Nebeneinander von lokal begrenzter, schlafähnlicher Aktivität in ansonsten wachähnlichen Zuständen. Das Team untersuchte eine komplexe Situation, in der kleine Hirnareale schlafähnliche langsame Wellen zeigten, während der Rest des Gehirns so reagierte, als sei er wach. Sie zeigten, dass diese Mischung von Zuständen auf natürliche Weise aus der Kombination der Anpassungsfähigkeit einzelner Regionen an die Aktivität und ihrer physischen Vernetzung entsteht. Insgesamt unterstreicht die von NEMESIS (NEurological MEchanismS of Injury, and Sleep-like cellular dynamics), EBRAINS 2.0 (EBRAINS 2.0 unterstützte Studie: Die Ergebnisse aus „A Research Infrastructure to Advance Neuroscience and Brain Health“, „VIRTUAL BRAIN TWIN“ (Virtual Brain Twin for Personalised Treatment of Psychiatric Disorders) und HBP SGA3 (Human Brain Project Specific Grant Agreement 3) zeigen, dass die molekulare und strukturelle Vielfalt des Gehirns entscheidend für die Ausprägung seiner großräumigen Aktivität ist. Diese Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten, biologische Prozesse auf kleinster Ebene mit der Funktionsweise des Gehirns als Ganzem zu verknüpfen. Damit schafft sie die Grundlage für genauere Simulationen neurologischer Erkrankungen und personalisierte Behandlungsansätze. Weitere Informationen: NEMESIS-Projekt Webseite des EBRAINS-2.0-Projekts(öffnet in neuem Fenster) „VIRTUAL BRAIN TWIN“-Projektwebsite(öffnet in neuem Fenster) HBP SGA3-Projektwebsite(öffnet in neuem Fenster)
