科學(xué)家3D打印人類大腦 欲揭曉褶皺形成之謎

前幾天南極熊報道了，創(chuàng)客利用MRI掃描數(shù)據(jù)3D打印出自己的大腦模型。而目前，美國哈佛大學(xué)科學(xué)家3D打印了一個凝膠大腦，通過觀察它的“成長過程”，來揭曉長期困惑科學(xué)家的大腦皮層褶皺形成之謎。

目前，美國哈佛大學(xué)科學(xué)家3D打印一個“凝膠人腦”，通過觀察其成長過程，揭曉了人類大腦褶皺是如何形成的。

據(jù)美國洛杉磯時報報道，目前，美國哈佛大學(xué)科學(xué)家通過3D打印一個凝膠大腦，并觀察它的“生長過程”，發(fā)現(xiàn)了人類大腦皮層如何產(chǎn)生褶皺。他們指出，人類大腦發(fā)育過程中，神經(jīng)細胞的數(shù)量、大小、形狀以及位置變化會導(dǎo)致灰質(zhì)擴張，從而使皮層在壓力下出現(xiàn)“機械不穩(wěn)定”，最終形成褶皺。

這項最新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在近期出版的《自然物理學(xué)雜志》上，將揭曉困擾科學(xué)家多年的人腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎，同時，有助于治療與大腦皮層褶皺不足或者過度褶皺相關(guān)的某些疾病。

美國斯坦福大學(xué)的埃倫-庫爾(Ellen Kuhl)稱，他們提供了差別生長理論的第一實驗證據(jù)，演示了物理作用力并不僅是生物化學(xué)過程，這在神經(jīng)發(fā)育過程中具有至關(guān)重要的意義。這項發(fā)現(xiàn)對于臨床診斷和治療十分重要，有助于預(yù)防多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

當你想到大腦，就會浮現(xiàn)出粉色、褶皺物體，猶如泄氣的籃球，但事實上并不是所有物種的大腦都具有褶皺結(jié)構(gòu)，例如：體形較小的老鼠大腦是光滑粉色結(jié)構(gòu)。人類嬰兒懷孕23周才形成褶皺。

研究人員將這個大腦3D模型浸入一種液體溶劑中，導(dǎo)致類似彈性皮層的外層結(jié)構(gòu)開始生長，最終形成與真實大腦相近的褶皺結(jié)構(gòu)。

長期以來，科學(xué)家知道大腦褶皺結(jié)構(gòu)具有許多益處——大腦皮層褶皺結(jié)構(gòu)比光滑表面具有更多的連通性，庫爾說：“每個皮層神經(jīng)元與其它7000個神經(jīng)元建立連接，結(jié)果形成長達15萬公里的神經(jīng)纖維。”

許多研究人員試著分辨這些細胞或者生物化學(xué)過程的工作原理，但是哈佛大學(xué)物理學(xué)家拉罕米拉亞那-馬哈德萬(Lakshminarayanan Mahadevan)決定研究大腦褶皺結(jié)構(gòu)的物理原理，并設(shè)計了一個大腦數(shù)學(xué)模型。據(jù)悉，40多年前另一支哈佛大學(xué)研究小組認為，大腦組織中成長差異性可以解釋褶皺結(jié)構(gòu)。

研究人員計劃揭曉大腦褶皺的成長特性，但是在實驗中如果直接使用人腦存在很大的困難，目前，哈佛大學(xué)組建一支研究小組，借助3D打印技術(shù)揭曉了人類大腦皮質(zhì)如何生長并產(chǎn)生褶皺。首先，他們使用22周胎兒光滑胎腦的磁共振圖像，3D打印一個凝膠模型，它可以模擬大腦“白質(zhì)”，它能夠轉(zhuǎn)換成一層較薄的彈性凝膠層，來模擬“灰質(zhì)層(皮層組織)”。之后研究人員將這個大腦3D模型浸入一種液體溶劑中，導(dǎo)致類似彈性皮層的外層結(jié)構(gòu)開始生長，最終形成與真實大腦相近的褶皺結(jié)構(gòu)。

結(jié)果顯示，皮層組織開始生長，但是它僅固定在白質(zhì)之上，伴隨著皮質(zhì)膨脹，最終該結(jié)構(gòu)崩潰，形成腦回和深溝，覆蓋在大腦皮層表面。馬哈德萬稱，我們發(fā)現(xiàn)大腦褶皺成長過程與分子等級變化密切相關(guān)，生物化學(xué)過程導(dǎo)致細胞移動，使細胞產(chǎn)生分裂和改變形狀，出現(xiàn)數(shù)量變化。這意味著神經(jīng)細胞的數(shù)量、大小、形狀以及位置變化會導(dǎo)致灰質(zhì)擴張，使大腦皮層在壓力下出現(xiàn)物理作用力的機械不穩(wěn)定，最終形成褶皺結(jié)構(gòu)。

這項研究有助于科學(xué)家更好地理解各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，同時，還將幫助我們識別孤獨癥、精神分裂癥或者老年癡呆癥早期診斷的局部解剖標記，最終設(shè)計出更高效的治療方案。

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信息來源：騰訊科學(xué)（悠悠/編譯）