Разбухающий в воде гелевый человеческий мозг помог понять, как растет настоящий

На фотографии видно, как сильно созданная модель похожа по структуре на настоящий мозг. Фото: Mahadevan Lab/Harvard SEAS

Чтобы изучить формирование складчатой структуры коры больших полушарий, международная группа исследователей напечатала на 3D-принтере модель человеческого мозга. В специальном растворе наружный слой «искусственного мозга» быстро набухает, формируя складчатую структуру, сходную по строению с настоящим серым веществом мозга.

Складчатая структура мозга, присущая лишь некоторым видам животных, включая человека, дает своим обладателям явное эволюционное преимущество: благодаря складкам бОльшая площадь коры мозга эффективно умещается в небольшом объеме черепной коробки. Однако на сегодняшний день исследователям неизвестно, как именно образуется столь сложная структура. Она начинает формироваться на двадцатой неделе внутриутробного развития и продолжает развиваться до полутора лет. Для изучения этого процесса группа ученых из Европы и Америки создала «искусственный мозг», который, попадая в жидкость, из гладкого превращался в бугристый и складчатый. Результаты их экспериментов опубликованы в журналe Nature Physics.

Для создания трехмерной структуры, имитирующей разделение мозга на гладкое белое вещество и бугристую кору, состоящую из серого вещества, физики использовали данные МРТ-сканирования мозга. Результаты ранних исследований показали, что образование складчатой структуры коры мозга обусловлено формированием, ростом и развитием нейроном мозга. В результате неравномерного физического расширения наружный слой мозга, сильнее увеличивающийся в объеме, вынужден сжиматься и складываться. Для имитации этого процесса исследователи напечатали на 3D-принтере гелевую модель мозга, покрытую веществом с большим коэффициентом впитывания жидкости. Помещенное в специальную жидкую среду, оно быстро вбирало в себя воду, за считанные минуты образуя бугристую складчатую поверхность, очень похожую на серое вещество мозга. Посмотреть, как это происходит, можно здесь.

Эта простая модель позволила ученым проанализировать законы, управляющие формированием коры больших полушарий в ускоренном режиме. Кроме того, исследователи провели серию численных симуляций на модели мозга, состоящего из мягкого вещества с расширяющейся корой. Результаты их расчетов показали, что, несмотря на наличие ряда молекулярных детерминант, особенности геометрии формирования складок и борозд обусловлены именно механической нестабильностью компонент мозга плода.

Процессы формирования сложных структур в организме, не закодированные однозначно в генах и отчасти обусловленные случайными процессами, представляют большой научный интерес для современных исследователей. Нередко изучение подобных явлений лежит на стыке различных областей наук. К примеру, совсем недавно другой группе ученых удалось объяснить процесс возникновения полосатой окраски животных при помощи математической формулы.
Теги:

Читать еще на Чердаке: