神经科学领域的核心挑战之一在于理解分子层面的过程如何影响大脑整体行为。近期，一项发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的研究，成功开发出一种连接微观化学机制与宏观全脑活动模式的计算机模型，为这一难题提供了突破性进展。该研究提供了新证据，表明受体密度的区域差异在塑造大脑活动和信息传递中发挥着关键作用。
这项创新性工作利用了开源全脑模拟平台 The Virtual Brain (TVB)，该平台是EBRAINS研究基础设施的一部分，并得到了EBRAINS 2.0项目和The Virtual Brain Twin项目的支持。与大多数简化处理、假设所有皮层区域功能均一的大规模脑模型不同，新模型采取了截然不同的方法。研究团队将详细的毒蕈碱型乙酰胆碱受体密度经验图谱——乙酰胆碱这种关键神经调质的主要靶点——整合到68个大脑皮层区域，并将其叠加到真实的人类结构连接组数据之上。
研究的第一作者、奥古斯特·皮·伊·苏尼尔生物医学研究所（IDIBAPS）研究员Leonardo Dalla Porta指出：“神经科学的核心挑战之一是理解分子层面的过程如何影响大脑的整体行为。我们的研究提供了一个具体的例子，展示了如何在同一个计算框架内开始连接这些非常不同的尺度。”
通过模拟从清醒到睡眠的一系列大脑状态，研究人员发现，与所有区域行为相同的模型相比，这种基于生物学基础的异质性（即受体密度的区域差异）显著增强了脑区间的协调性，并改善了信息流。这表明，大脑中受体分布的非均一性对于维持高效的脑功能至关重要。
该模型还自发地再现了真实大脑中观察到的一种现象：在某些皮层区域出现局部、类睡眠的慢波，而其余皮层则保持清醒状态。这种现象在注意力分散、睡眠剥夺以及脑损伤周围区域均有观察到，揭示了大脑在局部层面可能存在的不同活动模式。
IDIBAPS研究员、该研究的通讯作者Maria V. Sanchez-Vives强调：“全脑模型为系统神经科学家提供了深入了解局部现象对全局影响的洞察力，使我们能更好地理解机制并生成可检验的预测。这项研究是区域间异质性如何影响全局和局部脑状态生成的一个典范。”
研究结果进一步揭示，乙酰胆碱等神经调质并非在大脑中均匀作用。相反，它们的作用效果取决于其受体在局部区域的集中程度。这意味着相同的化学信号可以在不同的皮层区域产生不同的网络动态。这一发现，结合潜在的结构连接性，有望帮助未来的模型更准确地捕捉大脑在清醒、睡眠和各种意识改变状态之间的转换机制。
这些发现阐明了分子层面的细节如何有意义地塑造全脑活动，为理解脑损伤或意识障碍等疾病中的状态转换提供了一个新的框架。该研究为深入探索神经精神疾病的发病机制和开发新的干预策略奠定了坚实基础。