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一项发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS) 的开创性研究，成功开发出一种基于生物学原理的全脑计算机模型，首次将微观分子化学与宏观神经活动紧密联系起来。这项工作提供了有力证据，表明大脑中受体密度的区域性差异在塑造神经活动和信息跨脑传输方式上发挥着关键作用。

该研究团队利用开源全脑模拟平台 The Virtual Brain (TVB)——EBRAINS 研究基础设施的一部分，将详细的毒蕈碱型乙酰胆碱受体密度经验图谱整合到68个皮层区域中。这些受体是神经调质乙酰胆碱的关键靶点。与以往许多大型脑模型简化处理、假设所有皮层区域功能一致的做法不同，新模型将这些区域特异性的受体分布图层叠在人类真实的结构连接组数据之上，从而构建了一个更具生物学真实性的模拟环境。

通过模拟从清醒到睡眠等一系列脑状态，研究人员发现，这种基于生物学基础的受体异质性显著增强了脑区间的协调性，并改善了信息流，这与假设所有区域行为相同的模型形成了鲜明对比。研究的通讯作者、IDIBAPS 研究员 Maria V. Sanchez-Vives 强调：‘全脑模型为系统神经科学家提供了深入洞察局部现象对全局影响的能力，从而增进我们对机制的理解并生成可验证的预测。这项研究便是脑区间异质性如何影响全局和局部脑状态生成的一个范例。’

更令人振奋的是，该模型还自发地再现了真实大脑中观察到的一种现象：在部分皮层区域出现局部、睡眠样慢波振荡，而其他区域则保持清醒状态。这种现象此前已在注意力涣散、睡眠剥夺以及脑损伤周围区域观察到。

这项工作进一步揭示，乙酰胆碱等神经调质在大脑中的作用并非均匀分布，而是取决于其受体在特定区域的浓度。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、睡眠和意识改变状态之间的转换过程。

研究结果深刻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。研究的第一作者、IDIBAPS 研究员 Leonardo Dalla Porta 指出：‘神经科学面临的核心挑战之一是理解分子层面的过程如何影响整个大脑的行为。我们的研究提供了一个具体范例，展示了我们如何在同一计算框架内开始连接这些非常不同的尺度。’ 该框架有望帮助研究人员模拟和理解涉及意识障碍、中风、创伤性脑损伤以及神经退行性疾病等神经调控信号受损情况下的状态转换。