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哈佛科学家借3D打印解开人类大脑褶皱之谜

本文摘要:近日,来自哈佛大学与芬兰、法国的科学家构成的一支研究团队,利用3D打印机技术证实了人类的大脑皮层是如何茁壮并产生褶皱。实质上,像人类大脑这样简单的褶皱和沟回在大多数动物中都是不不存在的;高度拉链的大脑只在极少数的物种,还包括一些灵长类动物以及海豚、大象和猪当中不存在。 而在人类当中,胎儿大脑的拉链从分娩的第二十周就开始了,直到孩子1.5周岁时才算已完成。 大脑皮层为什么不会拉链,从进化论的角度很好说明,因为大脑的褶皱大大增加了皮层的表面积,从而有助提高人类的理解功能。

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近日,来自哈佛大学与芬兰、法国的科学家构成的一支研究团队,利用3D打印机技术证实了人类的大脑皮层是如何茁壮并产生褶皱。实质上,像人类大脑这样简单的褶皱和沟回在大多数动物中都是不不存在的;高度拉链的大脑只在极少数的物种,还包括一些灵长类动物以及海豚、大象和猪当中不存在。

而在人类当中,胎儿大脑的拉链从分娩的第二十周就开始了,直到孩子1.5周岁时才算已完成。  大脑皮层为什么不会拉链,从进化论的角度很好说明,因为大脑的褶皱大大增加了皮层的表面积,从而有助提高人类的理解功能。  但是科学家们所不告诉是,大脑拉链的过程是如何再次发生的。

目前为止科学界早已明确提出了几种假说,但是都没获得直接证明。如今,哈佛大学JohnA.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早已指出,尽管在确认细胞活动的过程中,许多分子过程充分发挥了最重要起到,但是最后造成大脑拉链的是一种非常简单的与屈曲涉及的机械不稳定性。  这一研究结果被公开发表在了《NaturePhysics》杂志上。

  据熟知,理解大脑的褶皱的重要性在于它为人类关上大脑、找出大脑涉及疾病的内部机理获取了最重要基础。  我们可以用于一个非常简单的物理原理来仿效大脑皮质的拉链,获得的结果类似于我们所看见的确实的胎儿的大脑。哈佛大学L.Mahadevan教授称之为。

  科学家们称之为,人类大脑在发育过程中,神经细胞的数目、大小、形态和方位的变化造成灰质(又被沦为皮层,与底层白质比较不应)的拓展。这使得大脑皮层在压力下造成机械不平稳,从而在产生褶皱。  再行再加非常简单的演化创意,比如递归和变化,使得厚而辽阔的大脑皮层被团出一团,这就是大脑拉链的主要原因,即脑回化。

Mahadevan教授称之为。  Mahadevan教授之前曾多次与前博士后研究员TuomasTallinen,及博士后研究员JunYoungChung联合展开过一项研究找到,他们只必须两个参数就可以说明大脑的外皮层和软组织由于生长差异而造成的皮层拉链模式。这两个参数是脑子的比较尺寸和皮层的比较收缩。

  在此基础上,Mahadevan的团队与法国神经解剖学专家和放射科医师展开合作,用于人类胎儿的数据必要测试这个理论。首先,该研究团队根据胎儿脑部的MRI光学数据3D打印机出有了一个凝胶模型。该模型的表面涂覆着一层薄薄的弹性体,以仿效大脑皮层。

为了仿真大脑皮层的扩展,科学家们将凝胶大脑洗在一种溶剂中,该溶剂可以被外层吸取,这不会使它相对于内部区域收缩,从而产生出有了无论在大小和形状上与确实的大脑都十分相近的褶皱。  这种相近的程度,甚至让研究人员们吃惊。

Chung说道:当我把模型放入溶剂中时,我告诉应当有拉链,但我根本没想起是那种相似人类大脑的模式。它看上去像一个确实的大脑。

  科学家们说明说道,导致如此相近的关键在于人类大脑的独有形状。大脑的几何形状是十分最重要的,因为它可以在某些方向上定位褶皱。

Chung说道。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,这就造成构成的褶皱与现实中胎儿的大脑十分给定。

  据信,该凝胶脑模型中分解的仅次于褶皱与胎儿脑中看见的无论在形状、大小和方向上都很类似于,而且可以在多个凝胶实验中再现。不过大于的褶皱则并不相同。

  人类的大脑并不是几乎一样,但是我们健康人大脑的主要褶皱都应当是完全相同的。Chung说道。

我们的研究指出,如果大脑的一部分不长时间生长,或者如果整个大脑半球的几何形状被毁坏,那么这个大脑的主要褶皱有可能就会产生在准确的地方,这可能会造成潜在的功能障碍。


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