科学家借助3D打印解开大脑褶皱之谜：褶皱越多越聪明
近日，来自哈佛大学与芬兰、法国的科学家组成的一支研究团队，借助3D打印技术确认了人类的大脑皮层是如何成长并产生褶皱。实际上，像人类大脑这样复杂的褶皱和沟回在大多数动物中都是不存在的；高度折叠的大脑只在极少数的物种，包括一些灵长类动物以及海豚、大象和猪当中存在。而在人类当中，胎儿大脑的“折叠”从怀孕的第二十周就开始了，直到孩子1.5周岁时才算完成。
大脑皮层为什么会折叠，从进化论的角度很好解释，因为大脑的褶皱大大增加了皮层的表面积，从而有助于提升人类的认知功能。
但是科学家们所不知道是，大脑折叠的过程是如何发生的。迄今科学界已经提出了几种假说，但是都没有得到直接证明。如今，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已经表明，尽管在确定细胞活动的过程中，许多分子过程发挥了重要作用，但是最终导致大脑折叠的是一种简单的与屈曲相关的机械不稳定性。
这一研究结果被发表在了《Nature Physics》杂志上。
据中国3D打印网所知，了解大脑的褶皱的重要性在于它为人类打开大脑、解开大脑相关疾病的内部机理提供了重要基础。
“我们可以使用一个非常简单的物理原理来模仿大脑皮质的折叠，得到的结果类似于我们所看到的真正的胎儿的大脑。”哈佛大学L. Mahadevan教授称。
科学家们称，人类大脑在发育过程中，神经细胞的数目、大小、形态和位置的变化导致灰质（又被成为皮层，与底层白质相对应）的扩展。这使得大脑皮层在压力下导致机械不稳定，从而在产生褶皱。
“再加上简单的进化创新，比如迭代和变化，使得薄而广阔的大脑皮层被团成一团，这就是大脑折叠的主要原因，即脑回化。”Mahadevan教授称。
Mahadevan教授之前曾经与前博士后研究员Tuomas Tallinen，及博士后研究员Jun Young Chung共同进行过一项研究发现，他们只需要两个参数就可以解释大脑的外皮层和软组织由于生长差别而导致的皮层折叠模式。这两个参数是脑子的相对尺寸和皮层的相对膨胀。
在此基础上，Mahadevan的团队与法国神经解剖专家和放射科医师进行合作，使用人类胎儿的数据直接测试这个理论。首先，该研究团队根据胎儿脑部的MRI成像数据3D打印出了一个凝胶模型。该模型的表面涂覆着一层薄薄的弹性体，以模仿大脑皮层。为了模拟大脑皮层的扩张，科学家们将凝胶大脑浸在一种溶剂中，该溶剂可以被外层吸收，这会使它相对于内部区域膨胀，从而产生出了无论在大小和形状上与真正的大脑都非常相似的褶皱。
这种相似的程度，甚至让研究人员们惊讶。Chung说：“当我把模型放进溶剂中时，我知道应该有折叠，但我从来没有想到是那种接近人类大脑的模式。它看起来像一个真正的大脑。”
科学家们解释说，造成如此相似的关键在于人类大脑的独特形状。“大脑的几何形状是非常重要的，因为它可以在某些方向上定位褶皱。”Chung说。“我们的模型在几何形状和曲率方面与人类的大脑是一样的，这就导致形成的褶皱与现实中胎儿的大脑非常匹配。”
据称，该凝胶脑模型中生成的最大褶皱与胎儿脑中看到的无论在形状、大小和方向上都很类似，而且可以在多个凝胶实验中重现。不过最小的褶皱则并不相同。
“人类的大脑并不是完全一样，但是我们健康人大脑的主要褶皱都应该是相同的。”Chung说。“我们的研究表明，如果大脑的一部分不正常生长，或者如果整个大脑半球的几何形状被破坏，那么这个大脑的主要褶皱可能就不会产生在正确的地方，这可能会导致潜在的功能障碍。”
(责任编辑：admin)
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