Извилины в мозгу человека образовались из-за тесноты
Характерные для человеческого мозга складки и извилины практически не присутствуют у других млекопитающих. Исключение составляют киты, свиньи и некоторые приматы. Такая структура, похожая на морщинистый грецкий орех, у эмбрионов человека начинает образовываться на 20-ой неделе беременности, а завершается процесс, когда ребёнку почти полтора года.
Физики распечатали модель мозга человеческого эмбриона в 3D, а затем нанесли на него слой с другими свойствами
(фотография Mahadevan Lab/Harvard SEAS).
Зачем человеческому мозгу нужны такие складки? Учёные объясняют это тем, что так орган адаптировался располагаться в ограниченном пространстве черепа. Подобно тому, как квадратный лист бумаги проходит в небольшое круглое отверстие, если смять его в комок. Таким образом, нейроны в мозге человека "упаковываются" ближе друг к другу и получают более быструю связь – мощный процессор в маленьком черепе.
Но, несмотря на то, что учёные смогли объяснить, зачем мозгу нужны складки, так и остаётся загадкой, какова природа их формирования, как они образуются.
В течение нескольких минут после погружения в растворитель, проявилась извилистая структура "коры", как и в настоящем мозге эмбриона
(фотография Mahadevan Lab/Harvard SEAS).
"Существует несколько гипотез, но проблема в том, что их сложно проверить экспериментально", — рассказывает Туомас Таллинен (Tuomas Tallinen), физик финского Университета Йювяскюля.
Одни предполагают, что складки развиваются в результате генетических процессов, другие – в результате биологических, третьи опираются на химические процессы. Но, что если они вызваны физическими процессами?
Это предположение решила проверить команда исследователей из Гарвардского университета совместно с учёными из Финляндии и Франции.
Физики распечатали мозг человеческого эмбриона в 3D. За основу они взяли скан мозга плода на 22-ой неделе развития. Учёные покрыли образец миллиметровым слоем гелеобразного эластомера, похожего по свойствам на кору, или серое вещество, головного мозга. Далее модель погрузили в органический растворитель, в котором орган быстро разбух благодаря слою геля.
Через 20-30 минут после погружения в жидкость, на искусственном мозге проявилась извилистая структура, как и в настоящем мозге человеческого эмбриона на 34-ой неделе развития. Таким образом, учёные сымитировали ускоренный процесс развития мозга.
Степень сходства удивила учёных. "Когда я положил модель мозга в растворитель, я знал, что получатся складки. Но я никогда не ожидал, что он сравнится с настоящим человеческим мозгом. Он (образец) выглядит как настоящий мозг", — рассказывает один из авторов исследования Цзюнь Янг Чун (Jun Young Chung).
"Мы поняли, что можем сымитировать складки коры, используя физический принцип, и получить результат, аналогичный мозгу зародыша", — руководитель исследования Лакшминараянан Махадеван (Lakshminarayanan Mahadevan) из Гарвардского университета.
По его словам, число, форма, размер и положение нейронов во время роста мозга приводят к увеличению площади серого вещества относительно белого вещества. "Такое простое эволюционное новшество позволяет уложить в небольшой объём большую по размеру кору головного мозга", — говорит учёный, добавляя, что это является главной причиной извилистой структуры мозга.
Несколько других млекопитающих также имеют похожую извилистую форму мозга, например, шимпанзе, дельфины, слоны и свиньи, но человеческий мозг имеет самую "сморщенную" форму.
"Мозг одного человека может отличаться от мозга другого. Но мы все должны иметь такие крупные складки, чтобы быть здоровыми. Наше исследование показывает, что нарушение роста мозга или нарушение его "геометрии" ведёт к тому, что, вероятно, складки формируются не в том месте. А это может привести к дисфункции мозга", — говорит Чун.
Комментируя исследование, Эллен Кул (Ellen Kuhl) с кафедры биоинженерии Стэндфордского университета отмечает, что выводы физиков могли бы стать прорывом в диагностике, лечении и профилактики целого ряда неврологических расстройств. Зная о том, какие процессы влияют на развитие складок и извилин мозга, можно разрабатывать более совершенное лечение, считает она.
Результаты работы физиков были опубликованы в журнале Nature.
