Naukowcy z Francji, Hiszpanii i Finlandii opracowali uproszczony model matematyczny populacji neuronów, który uwzględnia wymianę jonów między komórkami a ich otoczeniem. Pozwala on symulować aktywność dużych fragmentów mózgu bez odtwarzania każdej komórki z osobna. Praca ukazała się w czasopiśmie eLife.

Po co upraszczać mózg w symulacji

Aktywność elektryczna mózgu zależy od ruchu naładowanych cząstek, czyli jonów, przez błony komórkowe oraz przez płyn otaczający neurony. Procesy te wzajemnie na siebie wpływają. Zmiany stężenia jonów mogą zmieniać sposób, w jaki neurony generują impulsy, a w pewnych okolicznościach przyczyniać się do nieprawidłowej aktywności mózgu, w tym do napadów padaczkowych.

Problem w tym, że szczegółowe symulowanie wielu pojedynczych neuronów wymaga ogromnej mocy obliczeniowej. Dlatego badacze często sięgają po tzw. modele średniego pola (ang. mean-field). Opisują one zbiorowe zachowanie całej populacji komórek za pomocą znacznie mniejszej liczby równań.

Co nowego w proponowanym modelu

Autorzy wyprowadzili swój model z sieci neuronów typu Hodgkina–Huxleya, czyli punktowych modeli matematycznych opisujących, jak sygnały elektryczne powstają dzięki przepływowi jonów przez błonę komórkową. Uproszczony opis populacji zachowuje przy tym równania opisujące wymianę jonów między wnętrzem komórek a przestrzenią zewnątrzkomórkową.

Według twórców model odtwarza kilka wzorców aktywności widocznych zarówno w symulacjach większych sieci neuronowych, jak i w zapisach z skrawków mózgu myszy badanych in vitro. Wolne zmiany stężenia potasu wpływają na szybszą aktywność elektryczną, zarówno prawidłową, jak i patologiczną. Jak zaznacza współkierujący badaniem Spase Petkoski z Institut de Neurosciences des Systèmes na Uniwersytecie Aix-Marseille: „W obu przypadkach model oddaje to, jak stopniowe zmiany stężenia potasu mogą wpływać na szybszą aktywność elektryczną, zdrową lub patologiczną.”

Znaczenie dla badań nad padaczką

Podejście opiera się na powszechnie stosowanych metodach modelowania średniego pola i mas neuronowych. Nowością jest włączenie mechanizmów wymiany jonów do uproszczonego modelu pochodzącego z neuronów typu Hodgkina–Huxleya. Daje to badaczom dodatkowe narzędzie do analizy tego, jak zmiany chemicznego środowiska mózgu wpływają na zbiorową aktywność neuronów. Autorzy wskazują, że może ono wspierać przyszłe badania nad wpływem stężeń jonów na dynamikę sieci, także w procesach istotnych dla padaczki.

Kod modelu jest publicznie dostępny. Obejmuje też implementację dla The Virtual Brain, platformy do modelowania sieci mózgowych. Współkierujący pracą Viktor Jirsa jest dyrektorem naukowym EBRAINS.

Co to oznacza dla czytelnika

To praca teoretyczno-obliczeniowa, więc nie należy oczekiwać, że szybko przełoży się na nowe terapie czy leki. Jej wartość polega na usprawnieniu narzędzi, którymi badacze testują hipotezy o tym, jak powstają zaburzenia pracy mózgu. Padaczka dotyczy w Polsce setek tysięcy osób, więc lepsze zrozumienie mechanizmów napadów ma znaczenie także dla polskich pacjentów, choć droga od modelu do praktyki klinicznej bywa długa.

Polscy naukowcy, podobnie jak badacze z innych krajów, mogą korzystać z otwartego kodu i platform takich jak The Virtual Brain, a EBRAINS to europejska infrastruktura badawcza. Dzięki temu podobne modele mogą być rozwijane i sprawdzane również w ramach międzynarodowej współpracy.

Źródło: Medical Xpress – „Making virtual brain models more biologically realistic by capturing ion exchange”