Next generation Human Neocortical Neurosolver model with biophysically realistic somatic, dendritic and synaptic dynamics

O cérebro humano é uma paisagem vasta e intrincada de atividade elétrica, mas para os cientistas que tentam compreender como pensamos, sentimos ou percebemos o mundo, grande parte dessa atividade permanece oculta. Podemos colocar sensores no couro cabeludo para registrar os sussurros eletromagnéticos do cérebro, conhecidos como eletroencefalografia ou EEG, e magnetoencefalografia ou MEG. Essas ferramentas capturam o zumbido coletivo de bilhões de neurônios disparando em sincronia, mas os sinais que registram são como ouvir uma multidão torcendo em um estádio sem ser capaz de ver os fãs individuais. Para entender a história por trás do ruído, os pesquisadores devem preencher a lacuna entre esses sinais de grande escala e os circuitos microscópicos minúsculos dentro do cérebro. Isso requer uma maneira de traduzir as ondas amplas da atividade cerebral de volta para os comportamentos específicos de células individuais, uma tarefa que tem sido difícil há muito tempo porque as propriedades elétricas dos neurônios humanos eram mal compreendidas em comparação com as de animais.

Uma equipe de pesquisadores construiu agora um modelo digital significativamente aprimorado para resolver este problema, oferecendo uma janela mais clara sobre como o cérebro humano gera suas assinaturas elétricas. Eles criaram uma simulação de computador sofisticada chamada Human Neocortical Neurosolver, que atua como um tradutor entre o mundo microscópico das células e o mundo macroscópico dos exames cerebrais. A nova versão deste modelo é especial porque não é mais baseada principalmente em dados de ratos ou macacos. Em vez disso, os pesquisadores ajustaram os neurônios virtuais para corresponder ao comportamento elétrico real do tecido cerebral humano, usando dados recentes de doadores humanos. Ao fazer isso, eles criaram uma ferramenta que pode simular não apenas o disparo básico de neurônios, mas também eventos complexos e ocultos que ocorrem profundamente dentro dos longos ramos das células cerebrais, eventos que eram anteriormente impossíveis de rastrear em um contexto humano.

O cerne deste trabalho envolve a reconstrução da arquitetura digital da camada externa do cérebro, o neocórtex, com foco em dois tipos principais de células: neurônios piramidais, que são os mensageiros primários, e interneurônios inibitórios, que atuam como freios para manter a rede em equilíbrio. Em versões anteriores do modelo, essas células eram simplificadas para fazer as simulações de computador rodarem mais rápido, mas careciam das peculiaridades elétricas específicas encontradas no tecido humano real. Os pesquisadores atualizaram o modelo ajustando os condutores e interruptores internos dessas células virtuais para corresponder aos registros de neurônios humanos. Eles descobriram que os neurônios humanos se comportam de maneira diferente de seus equivalentes animais, particularmente na forma como lidam com sinais elétricos que viajam do corpo celular para fora, em direção aos seus longos ramos em forma de árvore chamados dendritos.

Uma das descobertas mais significativas deste novo modelo é a capacidade de simular picos de cálcio, que são surtos de atividade elétrica que ocorrem profundamente nos dendritos de certas células. Nas camadas profundas do cérebro humano, especificamente na quinta camada, esses neurônios podem gerar poderosos picos de cálcio quando recebem padrões específicos de entrada. Esses picos não são apenas ruído aleatório; são eventos complexos que integram informações de diferentes partes do cérebro e podem desencadear o disparo de um sinal da célula para o resto do corpo. Os pesquisadores demonstraram que seu novo modelo pode reproduzir esses picos de cálcio, mostrando que eles ocorrem quando o neurônio recebe uma série rápida de sinais ou quando recebe entrada de duas direções diferentes ao mesmo tempo. Esta é uma adição crucial porque esses eventos dendríticos agora são conhecidos por contribuir para os grandes sinais elétricos que medimos no couro cabeludo, o que significa que o que vemos em um exame cerebral pode ser, em parte, impulsionado por esses eventos ocultos do cérebro profundo.

A equipe também refinou como essas células virtuais se conectam umas às outras. No cérebro, os neurônios não disparam apenas aleatoriamente; eles estão ligados em padrões precisos onde a força da conexão depende de quão distantes as células estão umas das outras. O novo modelo incorpora essas regras dependentes de distância, garantindo que células mais próximas influenciem mais fortemente as outras do que as que estão mais afastadas. Eles ajustaram os sinais químicos, conhecidos como neurotransmissores, que passam entre as células para corresponder à velocidade e força observadas no tecido humano. Isso incluiu a atualização de como as células inibitórias silenciam seus vizinhos, garantizando que o tempo desses "freios" corresponda ao ritmo lento e deliberado encontrado em fatias de cérebro humano, em vez do ritmo mais rápido de roedores.

Com este modelo atualizado, os pesquisadores testaram sua capacidade de recriar padrões cerebrais do mundo real. Eles simularam a resposta do cérebro a um toque súbito, um experimento comum onde uma pessoa sente um toque em sua pele e seu cérebro reage com uma onda elétrica específica. O novo modelo reproduziu com sucesso a forma e o tempo dessas ondas, correspondendo aos dados registrados de participantes humanos. Também simulou os ritmos naturais do cérebro, como as ondas alfa e beta que aparecem quando o cérebro está em repouso ou em movimento. Nessas simulações, o modelo mostrou como a interação entre células excitatórias e inibitórias cria esses surtos rítmicos de atividade, e como as novas propriedades celulares humanas, mais realistas, alteraram a forma como esses ritmos foram gerados em comparação com modelos antigos.

Os pesquisadores também exploraram como essas diferentes partes do cérebro contribuem para o sinal final. Eles descobriram que os neurônios das camadas profundas, com seus longos ramos e a capacidade de gerar picos de cálcio, desempenham um papel dominante na criação das grandes correntes elétricas medidas por EEG e MEG. O modelo revelou que os picos de cálcio nessas células profundas criam uma tração elétrica sustentada que dura mais tempo do que os flashes rápidos de atividade nas camadas superiores. Isso sugere que as grandes ondas vistas em um exame cerebral não são apenas uma soma simples de todos os neurônios disparando, mas são fortemente moldadas por esses eventos específicos e complexos que ocorrem nas camadas profundas. Ao visualizar o fluxo de eletricidade e o movimento de íons de cálcio dentro das células virtuais, os pesquisadores puderam ver exatamente como as ações microscópicas de neurônios individuais se somam aos sinais macroscópicos que medimos.

Este trabalho representa um grande avanço na compreensão do cérebro humano porque vai além de suposições baseadas em dados animais. O novo modelo, que os pesquisadores chamam de duecker_ET_model, é construído sobre a fisiologia real dos neurônios humanos, tornando-o uma ferramenta mais confiável para interpretar exames cerebrais. Ele permite que os cientistas testem hipóteses sobre o que está acontecendo dentro do cérebro quando pensamos, sentimos ou sofremos de condições neurológicas. Por exemplo, se um paciente apresenta um padrão de onda cerebral incomum, os pesquisadores agora podem usar este modelo para ver se o problema pode ser causado por um problema com os picos de cálcio nas camadas profundas ou um descompasso no tempo dos sinais inibitórios. O modelo está aberto para uso de outros cientistas, fornecendo uma plataforma compartilhada para explorar os mistérios da mente humana com um nível de detalhe que antes era inalcançável.

Os pesquisadores fizeram questão de notar que seu modelo é uma simplificação, projetada para ser computacionalmente eficiente, mantendo ao mesmo tempo os comportamentos essenciais do cérebro. Eles não incluíram cada tipo de neurônio ou cada detalhe minúsculo da estrutura da célula, pois fazer isso tornaria as simulações lentas demais para serem úteis. Em vez disso, focaram nas características que mais importam para gerar os sinais elétricos que podemos medir. Eles reconheceram que, embora seu modelo reproduza muitos aspectos dos neurônios humanos, ainda existem diferenças entre o modelo e a realidade, particularmente no que diz respeito a como os sinais viajam ao longo dos longos ramos das células. No entanto, ao fundamentar o modelo em dados humanos, eles criaram uma base que é muito mais precisa do que tentativas anteriores.

Fundamentalmente, este artigo fornece uma nova lente através da qual visualizar o cérebro humano. Ele transforma as ondas abstratas de EEG e MEG em uma história de células específicas, conexões específicas e eventos elétricos específicos. Ao mostrar que os neurônios humanos possuem propriedades únicas, como a capacidade de gerar picos de cálcio que moldam nossas ondas cerebrais, os pesquisadores abriram novos caminhos para entender como o cérebro funciona. O modelo serve como uma ponte, conectando o mundo invisível da biologia celular com o mundo visível da imagem cerebral, permitindo-nos ver a maquinaria por trás da mente com maior clareza do que nunca.