人間の脳は、同一の回路からなる均一なシートではありません。それは分子的、解剖学的、および生理学的に不均一であり、異なる領域は異なる受容体密度、異なる細胞型、および異なる接続を持ちます。この変動は従来、大規模な脳力学のモデルを構築する際に平均化するためのノイズとして扱われてきました。
PNAS で発表された新しい研究は、この不均一性はまったくノイズではないことを示唆しています。それは組織化の原則です。
生物学的現実を尊重したモデル
研究チームは、覚醒時から睡眠時までの異なる脳状態を生成できる、生物物理学的に根拠のある大規模皮質モデルを構築した。すべての皮質領域を同一のものとして扱った以前のモデルとは異なり、このモデルには実際の生物学的データ、つまりトランスクリプトーム (Allen Human Brain Atlas) と PET イメージング データの両方から抽出されたコリン作動性ムスカリン受容体 (CHRM) 発現のマップに由来する空間構造の不均一性が組み込まれています。
これらの CHRM マップは、ニューロンの適応と興奮性の領域固有のモジュレーターとして実装されました。このモデルは経験的な人間の構造的接続性によって制約されており、領域間の配線が実際の解剖学的データを反映していることを意味します。
異種混合によりパフォーマンスが向上
結果は直感に反するものでした。構造化された生物学的異質性を追加しても、ネットワークのパフォーマンスは低下せず、向上しました。空間的に組織化された CHRM マップにより、グローバル ネットワークの同期が増加し、転送エントロピー (効果的な接続性の代用) によって測定される皮質領域間の情報の流れが大幅に改善されました。
重要なのは、これらの効果は、単に異質性が存在するのではなく、異質性の空間パターンに特有のものでした。 CHRM マップの分散は保存するが空間分布をランダム化するヌル モデルでは、効果を再現できませんでした。どの受容体がどこに密集しているかという、脳の分子多様性の特定の配置が重要です。
眠りと目覚めの窓
このモデルは、覚醒状態にある状態で、局所的な睡眠のような徐波を生成することもできます。これは、睡眠不足や睡眠の初期段階で実際の脳で観察される現象です。研究チームは、これらの局所的な徐波の出現は、神経細胞の適応の局所レベルとその根底にある構造的接続の両方に依存することを示した。言い換えれば、不均質性は、脳がどのように全体的に同期するのかだけでなく、脳がどのようにしてある領域で同時に目覚め、他の領域では眠っているようにできるのかも説明できるのです。
それが何を意味するか
この発見は、計算神経科学における長年の単純化に疑問を投げかけるものである。多くの大規模な脳モデルは、皮質領域を機能的に同等のノードとして扱い、その接続性のみが異なります。この研究は、各領域の内部特性、その受容体の構成、その興奮性、その分子の指紋が、ネットワークの動作を根本的に形作ることを示しています。
特にコリン作動性系は、アルツハイマー病、パーキンソン病、その他の認知障害の治療薬の標的となってきました。 CHRMの分布が脳全体の動態をどのように形作るのかを理解すれば、なぜ特定の脳領域が病気でコリン作動性枯渇に対してより脆弱なのか、そしてなぜ同じ薬剤が受容体が集中する場所に応じて異なる効果を発揮するのかが分かる可能性がある。
制限事項と次のステップ
このモデルは平均場近似であり、個々の細胞ではなくニューロンの集団をシミュレートします。これは大規模モデリングの標準ですが、単一ニューロンまたはマイクロ回路レベルの効果を捉えることはできません。この研究では、行動検証のために雄のマウスを使用しました。コリン作動性受容体の分布における性差は報告されているが、対処されていない。
研究チームは、同じフレームワークが、それぞれ独自の空間的不均一性を持つ他の神経調節系、ノルアドレナリン作動性、セロトニン作動性、ドーパミン作動性にも拡張できる可能性があると指摘しています。複数の受容体システムがどのように相互作用して脳のダイナミクスを形成するかという問題は、次のフロンティアです。
雅子 訳
情報源
1. Dalla Porta, L., Fousek, J., Destexhe, A., & Sanchez-Vives, M. V. (2026). Spatially structured heterogeneity shapes large-scale cortical dynamics in a model of the human cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123(28), e2532072123. https://doi.org/10.1073/pnas.2532072123