Вычислительная модель объяснила роль нейромедиаторов

Исследователи нанесли на карту мозга плотность и пространственное распределение волокон, доставляющих эти химические сигналы, по всем слоям соматосенсорной коры крысы. Оказалось, что холинергическая система (ацетилхолин) доминирует. Плотность варикозных расширений, точек высвобождения вещества, у нее в 2,3 раза выше, чем у серотонинергической. Полученные данные интегрировали в биофизическую модель, чтобы впервые смоделировать, как активация трех систем меняет ритмическую активность целой кортикальной микроцепи.

Было выяснено, что ацетилхолин эффективно подавляет медленные дельта‑волны, характерные для глубокого сна, и поддерживает состояние бодрствования. При этом его действие, судя по модели, реализуется через точную синаптическую передачу, а не через диффузное распространение, это помогает разрешить давний научный спор. Дофамин и серотонин тоже снижают синхронизацию активности и ослабляют медленные колебания в сенсорных зонах, что раньше недооценивали вне префронтальной коры. Серотонин дополнительно способен запускать более быстрые тета‑ритмы, что открывает новые перспективы для понимания эффектов антидепрессантов, нацеленных на серотониновую систему. Дофамин при этом охватывает все слои коры, влияя как на возбуждающие, так и на тормозные нейроны, и, вероятно, играет ключевую роль в настройке общего состояния нейронной сети.

Все экспериментальные данные и полная вычислительная модель выложены в открытых репозиториях. Поскольку нарушения в работе этих систем лежат в основе таких состояний, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, депрессия и шизофрения, работа создает фундамент для разработки более точных терапевтических подходов. Кроме того, полученные принципы могут быть использованы в нейроморфном искусственном интеллекте, так как количественные модели нейромодуляции способны лечь в основу новых архитектур ИИ, вдохновленных устройством мозга.