Физики узнали причину появлений извилин на коре мозга у человека

Извилины в коре головного мозга не являются результатом действия генетической программы роста мозга, а результатом работы очень простых физических процессов, связанных с появлением в нем областей нестабильности. Выяснить это помогли распечатанные на 3D-принтере мозги «зародышей».

«Мы выяснили, что мы можем создать структуру, похожую на складки коры мозга, используя очень простой физический принцип, получая в итоге примерно то, что можно увидеть в мозге зародыша. Эта простейшая эволюционная «инновация», в самых разных ее формах, позволяет упаковать большую по площади кору в небольшой объем. Ученые называют этот феномен «гирификацией», - рассказал Лакшминараянан Махадеван из Гарвардского университета (США).

Махадеван со своими коллегами в течение нескольких лет ищут в устройстве сложнейших и важнейших органов тела человека, животных и даже растений простые математические закономерности и объяснения.

В 2011 году ученые установили, что кишечник всех животных уложен в утробе в полном соответствии с простой математической формулой, имеющей всего два параметра – ширина и высота того участка, где он начинает расти.

В 2012 году они открыли оригинальный и одновременно простой механизм, который помогает усикам огурцов обвиваться вокруг шпалеры.

В своей последней работе ученые Гарвардского университета проверяли теорию о том, что складки коры головного мозга образуются не в результате их направленного роста, управляемого «программой» ДНК, а в результате физических процессов.

В процессе наблюдений за развитием мозга зародышей человека и животных, ученые уже давно обратили внимание на то, что с определенного этапа развития скорость деления клеток коры становится существенно выше, чем у клеток белого вещества мозга.

Махадеван и его коллеги предположили, что именно этот процесс и является причиной формирования извилин, так как в этом случае появляются очаги физической нестабильности в нервной ткани.

Авторы идеи решили проверить ее, «распечатав» на 3D-принтере полноценную копию мозга зародыша человека, возраст которого составлял всего пять месяцев. Со слов ученых, в этом возрасте мозг человека достигает почти нормальных для новорожденного размеров, но еще не имеет извилин, то есть, его поверхность совершенно гладкая.

Полученная «распечатка» была покрыта тонким слоем особого геля, который быстро разбухает, если впитывает в себя растворитель. Погрузив модель мозга в жидкость, ученые попытались сымитировать процесс ускоренного роста клеток коры.

Результат подтвердил догадку ученых: после погружения структура поверхности муляжа начала покрываться складками, схожими с теми, которые имеются на коре мозга новорожденного. Было установлено, что их форма, размеры и положение зависели всего от двух параметров – от размеров мозга и скорости впитывания гелем растворителя.

«Мозг каждого человека немного, но отличается от других, но все крупные складки присутствуют у большинства здоровых людей. Наше исследование показывает, что если рост мозга чем-то нарушен, или если его форма искажена, то тогда не все эти складки сформируются, что может вызывать целый ряд болезней и проблем», - сказал Цзунь Ян Чун, один из коллег Махадевана.