Почему мозг свернут, можно легко объяснить с эволюционной точки зрения; складчатый мозг, вероятно, эволюционировал, чтобы вместить большую кору в небольшой объем с преимуществом уменьшения длины нейронных проводников и улучшения когнитивной функции.Менее понятно, как складывается мозг. Было предложено несколько гипотез, но ни одна из них не использовалась напрямую для создания проверяемых прогнозов.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона в сотрудничестве с учеными из Финляндии и Франции показали, что, хотя многие молекулярные процессы важны для определения клеточных событий, то, что в конечном итоге заставляет мозг складываться, является простая механическая нестабильность, связанная с с короблением.Исследование опубликовано в Nature Physics.Понимание того, как складки мозга могут помочь разблокировать внутреннюю работу мозга и распутать связанные с мозгом расстройства, поскольку функция часто следует за формой.
«Мы обнаружили, что можем имитировать складки коры, используя очень простой физический принцип, и получить результаты, качественно похожие на то, что мы видим в реальном мозге плода», — сказал Л. Махадеван, профессор прикладной математики, органической и эволюционной биологии Лола Инглэнд де Вальпине. и физика.Число, размер, форма и положение нейронных клеток во время роста мозга — все это приводит к расширению серого вещества, известного как кора, относительно нижележащего белого вещества. Это подвергает кору сдавливания, что приводит к механической нестабильности, которая вызывает локальные складки.
«Это простое эволюционное нововведение с итерациями и вариациями позволяет упаковать большую кору головного мозга в небольшой объем и, вероятно, является основной причиной сворачивания мозга, известного как гирификация», — сказал Махадеван, который также является одним из основных преподавателей Институт биологической инженерии Висса и член Института науки и технологии бионано Кавли при Гарвардском университете.Предыдущее исследование Махадевана показало, что разница в росте между внешней корой головного мозга и мягкими тканями под ней объясняет различия в схемах складывания у разных организмов с точки зрения всего двух параметров: относительного размера мозга и относительного расширения коры.Основываясь на этом, команда сотрудничала с нейроанатомами и радиологами во Франции и непосредственно проверила эту теорию, используя данные, полученные на человеческих зародышах.
Команда создала трехмерную гелевую модель гладкого мозга плода на основе изображений МРТ. Поверхность модели была покрыта тонким слоем эластомерного геля как аналог коры. Чтобы имитировать расширение коры, мозг из геля был погружен в растворитель, который абсорбируется внешним слоем, вызывая его набухание по сравнению с более глубокими областями. Через несколько минут после погружения в жидкий растворитель возникшее сжатие привело к образованию складок, похожих по размеру и форме на настоящий мозг.
Степень сходства удивила даже исследователей. «Когда я поместил модель в растворитель, я знал, что должна быть складка, но я никогда не ожидал, что такая близкая картина по сравнению с человеческим мозгом», — сказал Джун Ён Чанг, научный сотрудник и соавтор статьи. «Похоже на настоящий мозг».Ключ к этому сходству лежит в уникальной форме человеческого мозга.
«Геометрия мозга действительно важна, потому что она служит для ориентации складок в определенных направлениях», — сказал Чанг. «Наша модель, имеющая такую же крупномасштабную геометрию и кривизну, что и человеческий мозг, приводит к образованию складок, которые довольно хорошо соответствуют тем, которые наблюдаются в реальном мозге плода».Самые большие складки, наблюдаемые в модельном гелевом мозге, по форме, размеру и ориентации аналогичны тем, что видны в мозге плода, и могут быть воспроизведены в нескольких экспериментах с гелем. Мельчайшие складки не сохраняются, отражая аналогичные изменения в человеческом мозге.
«Мозг у человека не совсем одинаковый, но для того, чтобы быть здоровым, у всех должны быть одинаковые складки», — сказал Чанг. «Наше исследование показывает, что если часть мозга не растет должным образом или если глобальная геометрия нарушена, у нас могут не быть основные складки в нужном месте, что может вызвать дисфункцию мозга».