近日，來自哈佛大學與芬蘭、法國的科學家組成的一支研究團隊，借助3D打印技術確認了人類的大腦皮層是如何成長并產(chǎn)生褶皺。實際上，像人類大腦這樣復雜的褶皺和溝回在大多數(shù)動物中都是不存在的；高度折疊的大腦只在極少數(shù)的物種，包括一些靈長類動物以及海豚、大象和豬當中存在。而在人類當中，胎兒大腦的“折疊”從懷孕的第二十周就開始了，直到孩子1.5周歲時才算完成。
大腦皮層為什么會折疊，從進化論的角度很好解釋，因為大腦的褶皺大大增加了皮層的表面積，從而有助于提升人類的認知功能。
但是科學家們所不知道是，大腦折疊的過程是如何發(fā)生的。迄今科學界已經(jīng)提出了幾種假說，但是都沒有得到直接證明。如今，哈佛大學John A. Paulson工程和應用科學學院的研究人員與芬蘭和法國的科學家合作研究已經(jīng)表明，盡管在確定細胞活動的過程中，許多分子過程發(fā)揮了重要作用，但是最終導致大腦折疊的是一種簡單的與屈曲相關的機械不穩(wěn)定性。
這一研究結果被發(fā)表在了《Nature Physics》雜志上。
據(jù)天工社所知，了解大腦的褶皺的重要性在于它為人類打開大腦、解開大腦相關疾病的內(nèi)部機理提供了重要基礎。
“我們可以使用一個非常簡單的物理原理來模仿大腦皮質(zhì)的折疊，得到的結果類似于我們所看到的真正的胎兒的大腦。”哈佛大學L. Mahadevan教授稱。
科學家們稱，人類大腦在發(fā)育過程中，神經(jīng)細胞的數(shù)目、大小、形態(tài)和位置的變化導致灰質(zhì)（又被成為皮層，與底層白質(zhì)相對應）的擴展。這使得大腦皮層在壓力下導致機械不穩(wěn)定，從而在產(chǎn)生褶皺。
“再加上簡單的進化創(chuàng)新，比如迭代和變化，使得薄而廣闊的大腦皮層被團成一團，這就是大腦折疊的主要原因，即腦回化。”Mahadevan教授稱。
Mahadevan教授之前曾經(jīng)與前博士后研究員Tuomas Tallinen，及博士后研究員Jun Young Chung共同進行過一項研究發(fā)現(xiàn)，他們只需要兩個參數(shù)就可以解釋大腦的外皮層和軟組織由于生長差別而導致的皮層折疊模式。這兩個參數(shù)是腦子的相對尺寸和皮層的相對膨脹。
在此基礎上，Mahadevan的團隊與法國神經(jīng)解剖專家和放射科醫(yī)師進行合作，使用人類胎兒的數(shù)據(jù)直接測試這個理論。首先，該研究團隊根據(jù)胎兒腦部的MRI成像數(shù)據(jù)3D打印出了一個凝膠模型。該模型的表面涂覆著一層薄薄的彈性體，以模仿大腦皮層。為了模擬大腦皮層的擴張，科學家們將凝膠大腦浸在一種溶劑中，該溶劑可以被外層吸收，這會使它相對于內(nèi)部區(qū)域膨脹，從而產(chǎn)生出了無論在大小和形狀上與真正的大腦都非常相似的褶皺。
這種相似的程度，甚至讓研究人員們驚訝。Chung說：“當我把模型放進溶劑中時，我知道應該有折疊，但我從來沒有想到是那種接近人類大腦的模式。它看起來像一個真正的大腦。”
科學家們解釋說，造成如此相似的關鍵在于人類大腦的獨特形狀。“大腦的幾何形狀是非常重要的，因為它可以在某些方向上定位褶皺。”Chung說。“我們的模型在幾何形狀和曲率方面與人類的大腦是一樣的，這就導致形成的褶皺與現(xiàn)實中胎兒的大腦非常匹配。”
據(jù)稱，該凝膠腦模型中生成的最大褶皺與胎兒腦中看到的無論在形狀、大小和方向上都很類似，而且可以在多個凝膠實驗中重現(xiàn)。不過最小的褶皺則并不相同。
“人類的大腦并不是完全一樣，但是我們健康人大腦的主要褶皺都應該是相同的。”Chung說。“我們的研究表明，如果大腦的一部分不正常生長，或者如果整個大腦半球的幾何形狀被破壞，那么這個大腦的主要褶皺可能就不會產(chǎn)生在正確的地方，這可能會導致潛在的功能障礙。”
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