Le cerveau humain n’est pas une feuille uniforme de circuits identiques. Elle est moléculaire, anatomique et physiologiquement hétérogène, différentes régions ayant différentes densités de récepteurs, différents types de cellules et différentes connectivités. Cette variabilité a traditionnellement été traitée comme du bruit, un élément à prendre en compte lors de la construction de modèles de dynamique cérébrale à grande échelle.
Une nouvelle étude publiée dans PNAS suggère que cette hétérogénéité n’est pas du tout du bruit. C’est un principe organisateur.
Un modèle respectueux de la réalité biologique
L’équipe a construit un modèle cortical à grande échelle fondé sur des données biophysiques, capable de générer des états cérébraux distincts, allant de l’éveil à la dynamique du sommeil. Contrairement aux modèles précédents qui traitaient toutes les régions corticales comme identiques, celui-ci incorporait une hétérogénéité spatialement structurée dérivée de données biologiques réelles : des cartes d’expression du récepteur muscarinique cholinergique (CHRM), tirées à la fois de données transcriptomiques (Allen Human Brain Atlas) et d’imagerie TEP.
Ces cartes CHRM ont été mises en œuvre en tant que modulateurs spécifiques à une région de l’adaptation et de l’excitabilité neuronale. Le modèle était contraint par la connectivité structurelle humaine empirique, ce qui signifie que le câblage entre les régions reflétait les données anatomiques réelles.
L’hétérogénéité améliore les performances
Les résultats étaient contre-intuitifs. L’ajout d’une hétérogénéité biologique structurée n’a pas dégradé les performances du réseau, mais les a améliorées. Les cartes CHRM spatialement organisées ont augmenté la synchronisation du réseau mondial et amélioré considérablement le flux d’informations entre les régions corticales, tel que mesuré par l’entropie de transfert (un indicateur d’une connectivité efficace).
Fondamentalement, ces effets étaient spécifiques au modèle spatial de l’hétérogénéité, et pas seulement à son existence. Les modèles nuls qui préservaient la variance des cartes CHRM mais randomisaient leur distribution spatiale n’étaient pas parvenus à reproduire les effets. La disposition particulière de la diversité moléculaire du cerveau, la densité des récepteurs là où, est importante.
Une fenêtre sur le sommeil et le réveil
Le modèle peut également générer des ondes lentes localisées semblables à celles du sommeil au sein d’un régime par ailleurs semblable à celui de l’éveil, un phénomène observé dans de vrais cerveaux pendant la privation de sommeil et les premiers stades du sommeil. L’équipe a montré que l’émergence de ces ondes lentes locales dépend à la fois du niveau régional d’adaptation neuronale et de la connectivité structurelle sous-jacente. En d’autres termes, l’hétérogénéité explique non seulement la façon dont le cerveau se synchronise globalement, mais aussi comment il peut être simultanément éveillé dans certaines régions et endormi dans d’autres.
Ce que cela signifie
Les résultats remettent en question une simplification de longue date des neurosciences computationnelles. De nombreux modèles cérébraux à grande échelle traitent les régions corticales comme des nœuds fonctionnellement équivalents, ne différant que par leur connectivité. Cette étude montre que les propriétés internes de chaque région, sa composition en récepteurs, son excitabilité, son empreinte moléculaire, façonnent fondamentalement le comportement du réseau.
Le système cholinergique, en particulier, a été la cible de médicaments contre la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et d’autres troubles cognitifs. Comprendre comment la distribution des CHRM façonne la dynamique du cerveau entier pourrait expliquer pourquoi certaines régions du cerveau sont plus vulnérables à la déplétion cholinergique en cas de maladie, et pourquoi le même médicament peut avoir des effets différents selon l’endroit où les récepteurs sont concentrés.
Limites et prochaines étapes
Le modèle est une approximation du champ moyen, il simule des populations de neurones plutôt que des cellules individuelles. Bien que cela soit standard pour la modélisation à grande échelle, il ne peut pas capturer les effets au niveau d’un seul neurone ou d’un microcircuit. L’étude a utilisé des souris mâles pour la validation comportementale ; des différences entre les sexes dans la distribution des récepteurs cholinergiques ont été signalées et n’ont pas été abordées.
L’équipe note que le même cadre pourrait être étendu à d’autres systèmes neuromodulateurs, noradrénergiques, sérotoninergiques, dopaminergiques, chacun présentant sa propre hétérogénéité spatiale. La question de savoir comment plusieurs systèmes de récepteurs interagissent pour façonner la dynamique cérébrale constitue la prochaine frontière.
Traduit par Lydie
Sources
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