科学家在3D中复制折叠人脑

2022-05-21 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:510 /
内容摘要:
关于大脑如何折叠的各种假设已经被提出,但没有一个被直接用于做出可测试的预测。现在,由哈佛大学研究员L. Mahadevan领导的一组科学家已经表明,虽然许多分子过程在决定细胞事件中很重要,但最终导致大脑折叠的是与屈曲相关的机械不稳定性。胎儿大脑的Gel模型在浸入液体溶剂后,由此产......

关于大脑如何折叠的各种假设已经被提出,但没有一个被直接用于做出可测试的预测。现在,由哈佛大学研究员L. Mahadevan领导的一组科学家已经表明,虽然许多分子过程在决定细胞事件中很重要,但最终导致大脑折叠的是与屈曲相关的机械不稳定性。

Gel model of a fetal brain after being immersed in liquid solvent, the resulting compression led to the formation of folds similar in size and shape to real brains. Image credit: Tuomas Tallinen et al.

胎儿大脑的Gel模型在浸入液体溶剂后,由此产生的压缩导致形成与真实大脑大小和形状相似的褶皱。影像学分:Tuomas Tallinen等。

人类大脑皮层在发育过程中的快速增长伴随着大脑折叠成高度复杂的结构。

先前的几项研究集中在“皮质生长的遗传和细胞调节,但是理解脑回和脑沟回旋的形成也需要考虑生长大脑的几何形状和物理形状。”

为了研究这一点,来自美国、法国和芬兰的Mahadevan教授和他的同事基于核磁共振成像制作了一个光滑胎儿大脑的三维凝胶模型。

“我们发现,我们可以使用一个非常简单的物理原理来模拟皮质折叠,并获得与我们在真实胎儿大脑中看到的定性相似的结果,”周一发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文的资深作者马哈德万教授解释道。

研究小组的模型表面涂有一层薄薄的弹性体凝胶,作为大脑皮层的模拟物。

为了模拟皮质膨胀,凝胶大脑被浸入溶剂中,被外层吸收,使其相对于更深的区域膨胀。

在浸入液体溶剂的几分钟内,由此产生的压缩导致了与真实大脑大小和形状相似的褶皱的形成。相似的程度甚至让科学家都感到惊讶。

“当我将模型放入溶剂中时,我知道应该会有折叠,但我从未想到与人脑相比会有那种接近的模式。它看起来像一个真正的大脑,”同样来自哈佛大学的合著者Jun Young Chung博士说。

这些相似之处的关键在于人类大脑的独特形状。

“大脑的几何形状真的很重要,因为它有助于确定褶皱的方向。我们的模型具有与人脑相同的大尺度几何形状和曲率,导致褶皱的形成与真实胎儿大脑中看到的褶皱非常匹配,”钟博士说。

在模型凝胶脑中看到的最大褶皱在形状、大小和方向上与在胎儿脑中看到的相似,并且可以在多个凝胶实验中复制。

最小的褶皱并不保守,反映了人类大脑中类似的变异。

“大脑从一个人到另一个人并不完全相同,但是为了健康,我们都应该有相同的主要褶皱,”钟博士说。

“我们的研究表明,如果大脑的一部分没有正常生长,或者如果整体几何结构被破坏,我们可能没有正确位置的主要褶皱,这可能会导致大脑功能障碍。”

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托马斯·塔林等。关于皮层回旋区的生长和形态。《自然物理》,2016年2月1日在线出版;doi: 10.1038/nphys3632


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