Forscher haben eine 3D-Replik eines Gehirns in einem Labor gezüchtet und erfolgreich reproduziert seine faltige, gefaltete Form. Die neue Studie, die in Nature Physics veröffentlicht wurde, könnte endlich die langjährige Frage beantwortet haben, wie sich die Falten in unserem Gehirn bilden, wobei der Prozess scheinbar mehr von den Gesetzen der Physik als von den treibenden Kräften der Biologie bestimmt wird.
Der Grund, warum unser Gehirn eine zerknitterte Struktur hat, ist aus evolutionärer Sicht klar: Gefaltete Gehirne verkürzen die Distanz, über die verschiedene Abschnitte kommunizieren müssen. Darüber hinaus ermöglicht das Falten, dass mehr von der Kortikalis, der äußeren Schicht des Gehirns, in einen menschlichen Schädel passt. Wenn wir erwachsen werden, nimmt das Volumen des Gehirns um das 20–fache zu, aber die Oberfläche – dank dieser Falten – um das 30-fache.
Ohne diese Falten wären unsere kognitiven Fähigkeiten dramatisch eingeschränkt. Während wir daher wissen, dass das organische Origami unseres Gehirns einen bestimmten „Zweck“ hat, war es weit weniger klar, wie diese Falten überhaupt entstehen. Aber ein Team von Forschern der Harvard University vermutete, dass es tatsächlich einen ziemlich einfachen, nicht-biologischen Mechanismus hinter der Entwicklung der Falten, Rillen (Sulci) und Grate (Gyri) geben könnte – ein Prozess, der als Gyrifikation bekannt ist.
Um diese Theorie zu testen, wurde eine 3D-gedruckte, gel-basierte Replik eines Gehirns hergestellt, basierend auf Magnetresonanztomographie (MRT) -Scans eines tatsächlichen fetalen Gehirns. Immer noch glatt und entfaltet, wurde dieses Modell mit einer ein Millimeter dicken (0,04 Zoll) zweiten Schicht Elastomergel, einem Materialanalog für den Kortex, beschichtet und in ein bestimmtes Lösungsmittel gegeben.
Die „Cortex“ -Entwicklung des Replikats des fetalen Gehirns. Die Ergebnisse der Studie sind ein Kinderspiel, wirklich. Mahadevan Lab / Harvard UNIVERSITY
Innerhalb weniger Minuten nach dem Eintauchen absorbierte das Elastomergel das Lösungsmittel schnell und ließ es aus dem darunter liegenden Gel herauswachsen. Damit es an dem darunter liegenden Gel haften blieb, begann sich das expandierende Gel mechanisch zusammenzuziehen und zu wölben, wobei es sich in sich selbst faltete. Das Endergebnis sah dem Sulci-Muster, das an einem echten fetalen Gehirn beobachtet wurde, bemerkenswert ähnlich.Frühere Theorien über die treibenden Prozesse hinter der Gyrifizierung waren biologischer ausgerichtet, mit einer prominenten Idee, dass die Falten durch biochemische Signale aus dem Gehirn induziert werden, die anschließend die Expansion und Kontraktion des Kortex verursacht. Dies würde es ermöglichen, bestimmte Regionen des Gehirns mit hoher Priorität besser miteinander zu verbinden als andere.Diese Studie impliziert jedoch, dass eher physikalische als biologische Prozesse das Faltmuster unseres Gehirns weitgehend bestimmen. Das Verständnis der frühen Stadien der Gehirnentwicklung ist entscheidend, wenn Forscher die Entstehung einer Reihe von neurologischen Entwicklungsstörungen des Gehirns aufdecken wollen, einschließlich Anenzephalie, bei der sich die frühen Gehirnfundamente eines Fötus falsch bilden.
„Gehirne sind nicht genau das gleiche von einem Menschen zum anderen, aber wir sollten alle die gleichen großen Falten haben, um gesund zu sein“, sagte Jun Young Chung, Postdoktorand an der Harvard University und Mitautor der Studie, der Harvard Gazette. „Unsere Forschung zeigt, dass, wenn ein Teil des Gehirns nicht richtig wächst oder wenn die globale Geometrie gestört ist, wir möglicherweise nicht die Hauptfalten an der richtigen Stelle haben, was zu Funktionsstörungen im Gehirn führen kann.“
