То, почему мозг свернут, может быть рационализировано легко с эволюционной точки зрения; свернутые мозги, вероятно, развились, чтобы вместить большую кору в небольшой объем с выгодой сокращения нейронной длины проводки и улучшения познавательной функции.Менее понятый то, как мозг сворачивается.
Несколько гипотез были предложены, но ни один непосредственно не использовался, чтобы сделать тестируемые предсказания. Теперь, исследователи в Школе Джона А. Полсона Гарварда Технических и прикладных наук, сотрудничающих с учеными в Финляндии и Франции, показали, что, в то время как много молекулярных процессов важны в определении клеточных событий, что в конечном счете заставляет мозг сворачиваться, простая механическая нестабильность, связанная с деформацией.Исследование издано по своей природе Физика.
Понимая, как мозговые сгибы могли помочь открыть внутренние работы мозга и распутать связанные с мозгом беспорядки, поскольку функция часто следует за формой.«Мы нашли, что могли подражать корковому сворачиванию, используя очень простой физический принцип и получить результаты, качественно подобные тому, что мы видим в реальных эмбриональных мозгах», сказал Л. Мэхэдевэн, профессор Лолы Энгланд де Вальпине Прикладной Математики, Organismic и Evolutionary Biology и Физики.Число, размер, форма и положение нейронных клеток во время мозгового роста все лидерство к расширению серого вещества, известного как кора, относительно основного белого вещества.
Это подвергает кору сжатию, приводя к механической нестабильности, которая заставляет его мяться в местном масштабе.«Эти простые эволюционные инновации, с повторениями и изменениями, позволяют, чтобы большая кора была упакована в небольшой объем и вероятны доминирующая причина позади мозгового сворачивания, известного как gyrification», сказал Мэхэдевэн, который является также основным преподавателем Института Wyss Биологически Вдохновленной Разработки и членом Института Kavli Бионано Науки и техники, в Гарвардском университете.Предыдущее исследование Мэхэдевэна нашло, что дифференциал роста между внешней корой мозга и мягкой тканью внизу объясняет изменения в складных образцах через организмы 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 из человеческих зародышей.
Команда сделала трехмерную, модель геля гладкого эмбрионального мозга на основе изображений МРТ. Поверхность модели была покрыта тонким слоем геля эластомера как аналог коры. Чтобы подражать корковому расширению, мозг геля был погружен в растворитель, который поглощен внешним слоем, заставляющим его раздуться относительно более глубоких регионов.
В течение минут после того, чтобы быть погруженным в жидкий растворитель получающееся сжатие привело к формированию сгибов, подобных в размере и форме к реальным мозгам.Степень общих черт удивила даже исследователей. «Когда я поместил модель в растворитель, я знал, там должен сворачиваться, но я никогда не ожидал такой близкий образец по сравнению с человеческим мозгом», сказал Юн Янг Чанг, осведомите докторского товарища и co-first автора статьи. «Это похоже на реальный мозг».Ключ к тем общим чертам находится в уникальной форме человеческого мозга.
«Геометрия мозга действительно важна, потому что это служит, чтобы ориентировать сгибы в определенных направлениях», сказал Чанг. «Наша модель, у которой есть та же самая крупномасштабная геометрия и искривление как человеческий мозг, приводит к формированию сгибов, которое соответствует замеченным в реальных эмбриональных мозгах вполне хорошо».Самые большие сгибы, замеченные в образцовом мозгу геля, подобны в форме, размере и ориентации к тому, что замечено в эмбриональном мозгу и может копироваться в многократных экспериментах геля. Самые маленькие сгибы не сохранены, отразив подобные изменения через человеческие мозги.
«Мозги не точно то же самое от одного человека другому, но у нас должны все быть те же самые главные сгибы, чтобы быть здоровыми», сказал Чанг. «Наше исследование показывает, что, если часть мозга не растет правильно, или если глобальная геометрия разрушена, у нас может не быть главных сгибов в правильном месте, которое может вызвать дисфункцию в мозгу».