Звивини в мозку людини утворилися через тісноту
Характерні для людського мозку складки і звивини практично не присутні у інших ссавців. Виняток становлять кити, свині і деякі примати. Така структура, схожа на зморшкуватий волоський горіх, у ембріонів людини починає утворюватися на 20-му тижні вагітності, а завершується процес, коли дитині майже півтора року.
Фізики роздрукували модель мозку людського ембріона в 3D, а потім завдали на нього шар з іншими властивостями
(Фотографія Mahadevan Lab / Harvard SEAS).
Навіщо людському мозку потрібні такі складки? Вчені пояснюють це тим, що так орган адаптувався розташовуватися в обмеженому просторі черепа. Подібно до того, як квадратний аркуш паперу проходить в невеликий круглий отвір, якщо зім`яти його в грудку. Таким чином, нейрони в мозку людини "упаковуються" ближче один до одного і отримують більш швидкий зв`язок - потужний процесор в маленькому черепі.
Але, не дивлячись на те, що вчені змогли пояснити, навіщо мозку потрібні складки, так і залишається загадкою, як і природа їх формування, як вони утворюються.
Протягом декількох хвилин після занурення в розчинник, проявилася звивиста структура "кори", Як і в сьогоденні мозку ембріона
(Фотографія Mahadevan Lab / Harvard SEAS).
"Існує кілька гіпотез, але проблема в тому, що їх складно перевірити експериментально", - Розповідає Туомас Таллінн (Tuomas Tallinen), фізик фінського Університету Йювяскюля.
Одні припускають, що складки розвиваються в результаті генетичних процесів, інші - в результаті біологічних, треті спираються на хімічні процеси. Але, що якщо вони викликані фізичними процесами?
Це припущення вирішила перевірити команда дослідників з Гарвардського університету спільно з вченими з Фінляндії і Франції.
Фізики роздрукували мозок людського ембріона в 3D. За основу вони взяли скан мозку плода на 22-му тижні розвитку. Вчені покрили зразок міліметровим шаром гелеобразного еластомеру, схожого за властивостями на кору, або сіра речовина, головного мозку. Далі модель повантажили в органічний розчинник, в якому орган швидко набряк завдяки шару гелю.
Через 20-30 хвилин після занурення в рідину, на штучному мозку проявилася звивиста структура, як і в сьогоденні мозку людського ембріона на 34-му тижні розвитку. Таким чином, вчені зімітували прискорений процес розвитку мозку.
Ступінь подібності здивувала вчених. "Коли я поклав модель мозку в розчинник, я знав, що вийдуть складки. Але я ніколи не очікував, що він зрівняється з справжнім людським мозком. Він (зразок) виглядає як справжній мозок", - Розповідає один з авторів дослідження Цзюнь Янг Чун (Jun Young Chung).
"Ми зрозуміли, що можемо зімітувати складки кори, використовуючи фізичний принцип, і отримати результат, аналогічний мозку зародка", - Керівник дослідження Лакшмінараянан Махадеван (Lakshminarayanan Mahadevan) з Гарвардського університету.
За його словами, число, форма, розмір і положення нейронів під час росту мозку призводять до збільшення площі сірої речовини щодо білої речовини. "Таке просте еволюційне нововведення дозволяє укласти в невеликий обсяг більшу за розміром кору головного мозку", - Говорить учений, додаючи, що це є головною причиною звивистій структури мозку.
Кілька інших ссавців також мають схожу звивисту форму мозку, наприклад, шимпанзе, дельфіни, слони і свині, але людський мозок має саму "зморщену" форму.
"Мозок однієї людини може відрізнятися від мозку іншого. Але ми всі повинні мати такі великі складки, щоб бути здоровими. Наше дослідження показує, що порушення росту мозку або порушення його "геометрії" веде до того, що, ймовірно, складки формуються не в тому місці. А це може призвести до дисфункції мозку", - Говорить Чун.
Коментуючи дослідження, Еллен Кул (Ellen Kuhl) з кафедри біоінженерії Стенфордського університету зазначає, що висновки фізиків могли б стати проривом в діагностиці, лікуванні та профілактики цілого ряду неврологічних розладів. Знаючи про те, які процеси впливають на розвиток складок і звивин мозку, можна розробляти більш досконале лікування, вважає вона.
Результати роботи фізиків були опубліковані в журналі Nature.
