naukowcy wyhodowali w laboratorium trójwymiarową replikę mózgu i z powodzeniem odtworzyli jego pomarszczony, złożony kształt. Nowe badanie opublikowane w Nature Physics mogło wreszcie odpowiedzieć na od dawna pytanie, w jaki sposób tworzą się fałdy w naszych mózgach, z procesem pozornie determinowanym bardziej przez prawa fizyki niż siły napędowe biologii.
powód, dla którego nasze mózgi mają zmarszczoną strukturę, jest jasny z perspektywy ewolucyjnej: Złożone mózgi skracają odległość, przez którą poszczególne sekcje muszą się komunikować. Ponadto, składanie pozwala większej części kory mózgowej, zewnętrznej warstwy, zmieścić się w ludzkiej czaszce. W miarę jak dorastamy, objętość mózgu wzrasta 20 razy, ale powierzchnia – dzięki tym fałdom-wzrasta 30 razy.
bez tych fałd nasze zdolności poznawcze byłyby dramatycznie ograniczone. Podczas gdy wiemy, że organiczne origami naszego mózgu ma odrębny „cel”, sposób powstawania tych fałd w pierwszej kolejności był znacznie mniej jasny. Ale zespół naukowców z Uniwersytetu Harvarda podejrzewał, że może istnieć dość prosty, niebiologiczny mechanizm stojący za rozwojem fałd, rowków (sulci) i grzbietów (gyri) – proces znany jako gyryfikacja.
aby przetestować tę teorię, opracowano wydrukowaną w 3D replikę mózgu na bazie żelu, opartą na obrazowaniu rezonansem magnetycznym (MRI) rzeczywistego mózgu płodu. Wciąż gładki i rozłożony model ten został pokryty drugą warstwą elastomerowego żelu o grubości milimetra (0,04 cala), materiału analogowego dla kory mózgowej, i umieszczony w konkretnym rozpuszczalniku.
rozwój „kory” mózgu płodu. Wyniki badań są bezmyślne. Mahadevan Lab / Harvard SEAS
w ciągu zaledwie kilku minut od zanurzenia żel elastomerowy szybko wchłania rozpuszczalnik, dzięki czemu wyrasta z leżącego pod nim żelu. Aby pozostać przymocowany do leżącego pod spodem żelu, rozszerzający się żel zaczął się mechanicznie kurczyć i klamrować, składając się na siebie. Wynik końcowy wyglądał niezwykle podobnie do wzoru sulci obserwowanego na prawdziwym mózgu płodu.
poprzednie teorie na temat procesów napędowych za gyryfikacją były bardziej skoncentrowane na biologii, z jedną z wybitnych idei jest to, że fałdy są indukowane przez sygnały biochemiczne z mózgu, co następnie powoduje rozszerzanie i kurczenie się kory mózgowej. Umożliwiłoby to lepsze połączenie niektórych obszarów mózgu o wysokim priorytecie niż inne.
jednak badania te sugerują, że procesy fizyczne, a nie biologiczne, w dużej mierze determinują wzór fałdowania naszego mózgu. Zrozumienie wczesnych stadiów rozwoju mózgu ma kluczowe znaczenie, jeśli naukowcy mają odkryć genezę szeregu neurorozwojowych zaburzeń mózgu, w tym anencephaly, w którym wczesne podstawy mózgu płodu zaczynają niewłaściwie tworzyć.
„mózgi nie są dokładnie takie same od jednego człowieka do drugiego, ale wszyscy powinniśmy mieć te same główne fałdy, aby być zdrowym”, powiedział Jun Young Chung, doktor habilitowany na Uniwersytecie Harvarda i współautor badania, do Harvard Gazette. „Nasze badania pokazują, że jeśli część mózgu nie rośnie prawidłowo lub jeśli globalna geometria jest zakłócona, możemy nie mieć głównych fałd we właściwym miejscu, co może powodować dysfunkcję mózgu.”
