Эффектный эксперимент продемонстрировал, как простые механические взаимодействия тканей растущего мозга могут приводить к появлению сложной складчатой структуры, узнаваемо похожей на извилины коры больших полушарий. Отчет о работе публикует журнал Nature Physics, кратко о ней рассказывает пресс-релиз Гарвардской школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS).

Усложнение головного мозга у млекопитающих сопровождается особенно интенсивным увеличением коры больших полушарий, которая реализует высшие когнитивные функции. Размещение максимального объема коркового слоя в минимальном объеме черепной коробки достигается формированием глубоких складок, и наиболее ярко этот процесс проявляется у человека. К шестому месяцу внутриутробного развития на гладкой поверхности мозга появляется первая складка, которая вытягивается и ветвится, образуя новые борозды и извилины. Многие мелкие складки индивидуальны и различаются даже на разных полушариях одного и того же мозга, однако основные оказываются универсальными и характерны для всех людей.

После погружения геля в растворитель на поверхности модели сформировались «извилины». Фотография: Mahadevan Lab / Harvard SEAS

Хотя функциональное значение складчатости головного мозга вполне очевидно, механизмы, определяющие появление извилин и борозд, «фолдинг» коры остаются не до конца ясными. Различные гипотезы указывают на разные факторы, которые могут определять этот процесс, от биохимического градиента сигнальных веществ до натяжения волокон белого вещества, лежащего непосредственно под корковым слоем растущего мозга.

«В настоящий момент наиболее вероятной является и самая простая теория», – пишут исследователи, работавшие во главе с гарвардским профессором Л. Махадеваном (L. Mahadevan). По их мнению, ускоренный рост и расширение коркового слоя относительно подкорковых создает напряжение, ведущее к механическому «фолдингу» коры.

Чтобы доказать эту версию, ученые использовали данные томографии развивающихся эмбрионов, получив детальную и трехмерную картину процесса появления складок начиная с еще гладкого мозга человека на 22-й неделе внутриутробного развития. Эту геометрическую форму авторы воспроизвели на 3D–принтере и использовали для изготовления гелевой модели мозга: внутренние слои белой материи моделировались мягким силиконовым полимером Ecoflex, а внешний слой серого вещества коры – с помощью эластомерного полидиметилсилоксана соответствующей толщины. Поместив такой «мозг» в органический растворитель, ученые имитировали активный рост коркового вещества.

Поглощая растворитель, внешний слой PDMS в течение 20–30 минут резко увеличивал объем, и, действительно, на поверхности модели быстро формировались извилины и борозды. Более того, их расположение, размеры, порядок и (относительное) время образования основных складок прекрасно соответствовали тому, что наблюдается при «фолдинге» мозга в ходе эмбрионального развития. Этот процесс приводил к такому результату раз за разом: геометрия исходного «мозга» и механическое напряжение, возникающее за счет более быстрого роста коркового слоя, приводили к появлению тех же основных складок, хотя мелкие в каждом случае были уникальны.

Ученые воспроизвели процесс и с помощью компьютерной модели, положив, что корковый слой определенной толщины полностью связан с лежащими ниже слоями, и что оба они являются эластичными «нео–Гуковскими» материалами. Учтя имеющиеся данные о размерах, геометрии и точной скорости увеличения объема мозга и коры, которые были получены ранее, авторы показали, что и такая модель позволяет с высокой достоверностью воспроизводить формирование характерных для человека складок и извилин.

Автор: Роман Фишман