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美科学家揭开大脑皮层褶皱产生的机理:机械不稳定作用
梅西 2016-02-02
导语

哈佛大学最新研究显示,我们的大脑之所以布满褶皱并具有核桃似的形状,是由于大脑皮层的机械不稳定性造成的。

图:大脑模型中褶皱的形成过程动画。该团队基于MRI图像顺利获得了胎儿大脑的三维凝胶模型。该模型的表面涂有弹性体凝胶的薄层,作为皮层的类似物。为了模仿皮质膨胀,凝胶脑模型被浸入在溶剂中,溶剂被外层吸收导致其不断膨胀。膨胀带来的压缩导致形成了在尺寸和形状都非常类似于真实大脑褶皱。

所有哺乳类物种都有大脑皮层,但只有较大型的哺乳类才具有褶皱的大脑皮层。举例而言,老鼠大脑的表面光滑,而比这大得多的大脑,比如人类的大脑则具有大量沟回。褶皱的大脑皮层拥有更大的表面面积,这就意味着具备更强大的信息处理能力,但尚未完全清楚是什么因素决定了人类大脑的标志性沟回形状。

日前,哈佛大学John A. Paulson工程和应用科学学院的研究人员与芬兰和法国的科学家合作研究表明:虽然许多分子过程是在细胞活动中非常重要,但是导致大脑褶皱是由于与弯曲相关的机械不稳定性造成的。该研究结论已经发表在《Nature physics》

 掌握大脑是如何形成褶皱的,可能有助于科学家更好地解释多小脑回、巨脑回、无脑回等先天性病症。

“我们发现,我们可以用一个很简单的物理原理模仿皮层折叠,而且得到的结果非常类似于我们在现实胎儿大脑中所看到的那样,”有机体与进化生物学教授L. Mahadevan表示

图:被浸泡在液体溶剂中的胎儿大脑凝胶模型。压缩导致大脑模型形成了在尺寸和形状都非常类似于真实大脑的褶皱。

在大脑发育过程中,相对于白质,神经元细胞的数量,大小,形状和位置都会导致皮层的膨胀。这使得皮层受到压缩,从而导致它由于机械不稳定性在本地产生褶皱。

“由于这个简单的不断的发展过程,使得大量皮质被包装在很小体积内,这可能是褶皱出现的主要原因,”L. Mahadevan表示。

L. Mahadevan先前的研究发现,大脑的外皮层和下面的软组织之间的生长差异能只需要两个参数就能解释整个生物体的大脑折叠模式的变化,分别为大脑的相对大小和皮层的相对膨胀。

在此基础上,团队与法国研究人员合作使用了从人类胎儿的数据直接测试这一理论。该团队基于MRI图像顺利获得了胎儿大脑的三维凝胶模型。该模型的表面涂有弹性体凝胶的薄层,作为皮层的类似物。为了模仿皮质膨胀,凝胶脑被浸入在溶剂中,外层通过吸收这些溶剂不断进行膨胀。在膨胀带来的压缩作用下,形成了在尺寸和形状上都非常类似于真实大脑的褶皱。

测试得到的结果与真实大脑出乎意料的相像。 “当我把模型放入溶剂中,我知道应该有折叠,但是我万万没有想到,居然与人类大脑如此相像,”博士后研究员Jun Young Chung,同时也是论文的第一作者, “它看起来像一个真正的大脑。”

“大脑的几何形状也是非常重要的,因为它能决定褶皱在哪个方向上形成,”Jun Young Chung说。

“我们的模型与人类大脑具有相同的几何形状和曲率,这也决定了大脑模型中形成的褶皱与真实胎儿大脑中的褶皱符合很好。”

在模型凝胶脑中形成的最大褶皱,在形状,大小以及方向取向上都与胎儿大脑中的褶皱非常相似,并且可以在多个凝胶实验中都能重现。最小的折叠则不完全类似,这也正是人类大脑之间的差异表现。

“并不是每个人的大脑都完全一样,但人类大脑的主要褶皱基本类似,”Jun Young Chung说。 “我们的研究表明,如果大脑的一部分没有正常生长,或者如果大脑的整体几何形状被打断,我们就不可能在大脑正确的位置得到主要脑沟,这可能导致大脑功能障碍”。

文章链接:

On the growth and form of cortical convolutions

消息链接:

How, not why, the human brain folds

(本文由e科网编译整理)

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文章评论(4)
柏岩[北京航空航天大学]

大脑沟汇也是挤出来的,挤挤更聪明^o^^o^^o^

817天前 | 回复
爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

:-D

837天前 | 回复
爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

动画很逼真

837天前 | 回复
金陵[北京大学]

结论不令人特别惊奇,研究方法令人叹为观止,再现大脑皮层的形成过程,厉害⊙_⊙

838天前 | 回复
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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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