forskare har vuxit en 3D-kopia av en hjärna i ett laboratorium och framgångsrikt reproducerat sin skrynkliga, vikta form. Den nya studien som publicerades i Nature Physics kan äntligen ha svarat på den långvariga frågan om hur vikarna i våra hjärnor bildas, med processen som tycks bestämmas mer av fysikens lagar än biologins drivkrafter.

anledningen till att våra hjärnor har en veckad struktur är tydlig ur ett evolutionärt perspektiv: Vikta hjärnor förkortar avståndet som olika sektioner måste kommunicera över. Dessutom tillåter vikning mer av cortex, hjärnans yttre lager, att passa in i en mänsklig skalle. När vi växer till vuxna ökar hjärnans volym 20 gånger, men ytan – tack vare dessa veck – ökar 30 gånger.

utan dessa veck skulle våra kognitiva förmågor vara dramatiskt begränsade. Medan vi därför vet att vår hjärnans organiska origami har ett distinkt” syfte”, har hur dessa veck uppstår i första hand varit mycket mindre tydliga. Men ett team av Harvard University forskare misstänkte att det faktiskt kan vara en ganska enkel, icke-biologisk mekanism bakom utvecklingen av veck, spår (sulci) och åsar (gyri) – en process som kallas gyrification.

för att testa denna teori producerades en 3D-tryckt, gelbaserad kopia av en hjärna, baserad på magnetisk resonansavbildning (MRI) av en verklig fosterhjärna. Fortfarande slät och utfälld belades denna modell i ett millimeter tjockt (0,04 tum) andra lager av elastomergel, en materialanalog för cortexen och placerades i ett visst lösningsmedel.

”cortex” utveckling av replika fosterhjärnan. Studiens resultat är en no-brainer, verkligen. Mahadevan Lab/Harvard SEAS

inom bara några minuter efter nedsänkning absorberade elastomergelen snabbt lösningsmedlet, vilket gör att det växer ut från den underliggande gelen. För att den ska hålla fast vid den underliggande gelen började den expanderande gelen mekaniskt dra ihop sig och spänna, vika in på sig själv. Slutresultatet såg anmärkningsvärt lik det sulci-mönster som observerades på en riktig fosterhjärna.

tidigare teorier om drivprocesserna bakom gyrifiering har varit mer biologifokuserade, med en framträdande uppfattning att vikarna induceras av biokemiska signaler från hjärnan, vilket därefter orsakar expansion och sammandragning av cortexen. Detta skulle göra det möjligt för vissa, högprioriterade regioner i hjärnan att vara bättre anslutna än andra.

denna studie innebär emellertid att fysiska, snarare än biologiska, processer i stor utsträckning bestämmer vår hjärnans vikningsmönster. Att förstå de tidiga stadierna av hjärnans utveckling är avgörande om forskare ska avslöja uppkomsten av en rad neurodevelopmental hjärnstörningar, inklusive anencefali, där ett fostrets tidiga hjärnfundament börjar felaktigt bildas.

”hjärnor är inte exakt samma från en människa till en annan, men vi borde alla ha samma stora veck för att vara friska”, säger Jun Young Chung, en postdoktor vid Harvard University och medförfattare till studien, till Harvard Gazette. ”Vår forskning visar att om en del av hjärnan inte växer ordentligt, eller om den globala geometrin störs, kanske vi inte har de stora vikarna på rätt plats, vilket kan orsaka dysfunktion i hjärnan.”