Understanding combinatorial neuromodulation using biophysical models

Opis projektu

Molekularne spojrzenie na regulację aktywności neuronów

Mózg wykorzystuje przekaźniki chemiczne zwane neuromodulatorami, takie jak dopamina, serotonina i acetylocholina, do regulacji aktywności neuronów i adaptacji zachowania. Zaburzenie równowagi w tych układach leży u podstaw powszechnie występujących schorzeń, w tym depresji i schizofrenii. Chociaż poszczególne neuromodulatory były przedmiotem obszernych badań, sposób, w jaki wiele neuromodulatorów działa jednocześnie, kształtując dynamikę obwodów neuronowych, pozostaje słabo poznany. Zespół projektu NEUROMODelling, realizowanego przy wsparciu z działań „Maria Skłodowska-Curie”, stworzy pierwszą całościową strukturę łącznej kontroli neuromodulacyjnej. W tym kontekście badacze zintegrują równoczesne rejestracje aktywności neuronowej i stężeń wielu neuromodulatorów z modelowaniem obliczeniowym. Wyniki badania przyczynią się do pogłębienia podstawowej wiedzy na temat regulacji stanów mózgu oraz stworzą podstawy dla badań translacyjnych nad zaburzeniami równowagi neuromodulacyjnej w zaburzeniach neurologicznych i psychiatrycznych.

Cel

Neuromodulators are key controllers of neuronal activity, orchestrating brain state transitions that allow humans to adapt their behaviour to internal needs and environmental demands. Disruptions in the neuromodulatory balance lead to highly prevalent mental and mood disorders, including depression and schizophrenia, identified as top priorities by the WHO.

Neuromodulators are released simultaneously and target neurons express multiple receptors for all of them, yet crucially, how they jointly shape the activity and dynamics of neuronal circuits remains largely unknown. To solve this question, we need to describe and explain how neuromodulator receptors activation mechanistically influences neuronal activity, from the perspective of both biophysics and dynamical systems.

This project will address this critical gap in our understanding of the brain by integrating, for the first time, the analysis of simultaneous neuronal and multi-neuromodulator recordings with mean-field and mechanistic biophysical models, to accurately map how changes in the neuromodulatory landscape modulate circuit dynamics and support different behaviours. These results will guide future research, and lay the foundations for translational studies on how neuromodulatory imbalances drive neurodegenerative and mood disorders.

In summary, this project will leverage my experience in neural data analysis and modeling with the unique experimental capacity and available data in the host lab, enabling us for the first time to generate a holistic framework for addressing the role of combined neuromodulators in organizing neuronal activity.

This fellowship will accelerate my path to independence, that will enable me to establish and implement my research program focused on how the complex combination of physiological signals, internal brain states, and anatomical constraints shape spontaneous brain activity.