大脑的秘密可能隐藏在它的褶皱和皱纹中，它们是如何被制作的？

人类的大脑被称为已知宇宙中最复杂的物体。而且有充分的理由：它有大约860亿个神经元和数十万英里的轴突纤维连接它们。

不出所料，导致大脑特征性凸起和凹槽的大脑折叠过程也非常复杂。尽管经过数十年的猜测和研究，但这一过程背后的潜在机制仍然知之甚少。

作为生物力学和计算机科学研究人员，我们花了几年时间分别研究大脑折叠的机制以及可视化和映射大脑的方法。

弄清楚这种复杂性可能有助于研究人员更好地诊断和治疗发育性脑部疾病，如脑畸形或平滑脑和癫痫。

由于许多神经系统疾病出现在发育的早期阶段，因此了解大脑折叠的工作原理可以为正常和病理的大脑功能提供有用的见解。

大脑折叠的机制

大脑由两层组成 。外层称为大脑皮层，由折叠的灰质组成，由小血管和数十亿神经元的球形细胞体组成。内层由白质组成，主要由神经元细长的尾巴组成，称为髓鞘轴突。

近年来，研究人员已经证明，力学，或物体相互施加的力，在大脑的生长和折叠中起着重要作用。

在科学家提出的解释大脑折叠如何工作的几个假设中，差异切向增长是最常见的，因为它得到了实验观察的充分支持。

该理论假设大脑的外层以比内层更快的速度生长，因为神经元在发育过程中如何增殖和迁移。

这种生长速率的不匹配使外层的压缩力增加，导致生长的大脑结构的整体不稳定。然而，折叠这些层会释放这种不稳定性。

为了更好地解释这一理论，贾利尔制作了一个大脑的机械模型，该模型赋予外层比内层更大的生长速率。正如预期的那样，这种生长速率的不匹配导致内层阻止外层扩散。

由于外层由于这种堵塞而无法进一步膨胀，因此它必须在内层内折叠和扣住，以达到更稳定的结构。

另一项使用3D打印的水凝胶脑模型的研究也表明，生长速率的不匹配会导致折叠。

这种屈曲的发生是因为折叠最大化了大脑的表面与体积之比，或者大脑相对于其大小的表面积。较高的表面体积比允许大脑在给定空间中容纳更多的神经元，同时减少它们之间的相对距离。

Jalil的研究小组还发现，其他机械因素也会影响发育中的大脑的最终形状，包括大脑的初始外层厚度以及两层相对的硬度。

最近，我们的模拟研究表明，轴突是神经元中帮助其传递电信号的部分，在调节大脑的折叠过程中发挥作用 。

我们的模型显示，脑脊形成于轴突数量较多的区域，而谷状结构则形成于轴突密度较低的区域。我们通过来自真实人脑的神经成像和组织样本证实了这些发现。

这强调了轴突密度在大脑发育中的重要性，并可能说明自闭症和精神分裂症等具有不规则大脑结构和连接的疾病的起源。

我们俩现在都在开发更复杂的大脑模型，该模型基于真实大脑的神经成像，这将提供更详细的大脑发育模拟。

脑部疾病的机制

我们的大脑模型为大脑在发育过程中可能异常形成提供了一个潜在的解释，突出了大脑结构在其正常运作中所起的重要作用。

具有异常折叠模式的大脑可能导致破坏性的情况。

例如，具有比平常更厚的外层的大脑模型比具有正常厚度的大脑模型形成更少，更大的脊和山谷。在极端情况下，这可能导致一种称为脑畸形或平滑大脑的疾病，其完全没有大脑褶皱。

许多患有这种疾病的儿童发育严重发育迟缓，并在10岁之前死亡。

另一方面，多毛肌的外层比平常更薄，导致过度折叠。这种情况也通过机械建模得到了复制。患有这种疾病的人可能有轻度至重度的神经系统问题，包括癫痫发作，瘫痪和发育迟缓。

科学家们还发现了精神分裂症和癫痫等脑部疾病的异常折叠模式。

脑力学的下一步

了解大脑折叠和连接背后的机制将为研究人员提供知识基础，以揭示它们在发育性脑部疾病中的作用。

从长远来看，澄清大脑结构和功能之间的联系可能会导致脑部疾病的早期诊断工具。

在未来，人工智能可能能够更深入地了解人类大脑的正常生长和折叠。

但是，即使神经科学取得了所有这些进步，像我们这样的研究人员也面临着我们的工作，因为我们继续试图破译宇宙中最复杂的已知结构的奥秘。

Mir Jalil Razavi，纽约州立大学宾厄姆顿大学机械工程助理教授，以及纽约州立大学宾汉姆顿大学计算机科学助理教授戴伟英。

本文转载自The Conversation，采用知识共享许可协议。阅读原文。

本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。