人脑并不是由相同电路组成的统一薄片。它在分子、解剖学和生理学上是异质的，不同区域有不同的受体密度、不同的细胞类型和不同的连接性。这种变异性传统上被视为噪声，在构建大规模大脑动力学模型时需要对其进行平均。
发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究表明，这种异质性根本不是噪音。这是一个组织原则。
尊重生物现实的模型
该团队建立了一个基于生物物理的大规模皮层模型，能够生成不同的大脑状态，从清醒状态到睡眠状态动态。与之前将所有皮质区域视为相同的模型不同，该模型纳入了源自真实生物数据的空间结构异质性：胆碱能毒蕈碱受体（CHRM）表达图谱，取自转录组（艾伦人脑图谱）和 PET 成像数据。
这些 CHRM 图被用作神经元适应和兴奋性的区域特异性调节器。该模型受到经验人体结构连接的限制，这意味着区域之间的连接反映了实际的解剖数据。
异构性提高性能
结果是违反直觉的。添加结构化生物异质性并不会降低网络性能，反而会增强网络性能。空间组织的 CHRM 地图增加了全球网络同步，并显着改善了皮质区域之间的信息流，如通过转移熵（有效连接的代理）测量的。
至关重要的是，这些影响是异质性的“空间模式”所特有的，而不仅仅是其存在。保留 CHRM 地图方差但随机化其空间分布的空模型无法重现效果。大脑分子多样性的特殊排列（受体在哪里密集）很重要。
进入睡眠和醒来的窗口
该模型还可以在类似清醒的状态下产生局部类似睡眠的慢波，这是在睡眠剥夺和早期睡眠期间在真实大脑中观察到的现象。研究小组表明，这些局部慢波的出现取决于神经元适应的区域水平和潜在的结构连接。换句话说，异质性不仅解释了大脑如何在全球范围内同步，还解释了它如何同时在某些区域处于清醒状态而在其他区域处于睡眠状态。
这意味着什么
这些发现对计算神经科学长期以来的简化提出了挑战。许多大型大脑模型将皮质区域视为功能等效的节点，仅在连接性方面有所不同。这项研究表明，每个区域的内部特性、其受体构成、其兴奋性、其分子指纹，从根本上塑造了网络的行为方式。
尤其是胆碱能系统，已成为治疗阿尔茨海默病、帕金森病和其他认知障碍药物的目标。了解 CHRM 分布如何塑造全脑动态可以了解为什么某些大脑区域更容易受到疾病中胆碱能耗竭的影响，以及为什么相同的药物根据受体集中的位置会产生不同的效果。
限制和后续步骤
该模型是平均场近似，它模拟神经元群体而不是单个细胞。虽然这是大规模建模的标准，但它无法捕获单神经元或微电路级效应。该研究使用雄性小鼠进行行为验证；胆碱能受体分布的性别差异已有报道，但尚未得到解决。
研究小组指出，相同的框架可以扩展到其他神经调节系统，去甲肾上腺素能、血清素能、多巴胺能，每个系统都有自己的空间异质性。多个受体系统如何相互作用以塑造大脑动力学的问题是下一个前沿领域。
婷 翻译
来源
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