科学家3D打印人类大脑 欲揭晓褶皱形成之谜

2016-02-03 07:56:00 腾讯科学 分享
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目前,美国哈佛大学科学家3D打印一个“凝胶人脑”,通过观察其成长过程,揭晓了人类大脑褶皱是如何形成的。

据美国洛杉矶时报报道,目前,美国哈佛大学科学家通过3D打印一个凝胶大脑,并观察它的“生长过程”,发现了人类大脑皮层如何产生褶皱。他们指出,人类大脑发育过程中,神经细胞的数量、大小、形状以及位置变化会导致灰质扩张,从而使皮层在压力下出现“机械不稳定”,最终形成褶皱。

这项最新发现发表在近期出版的《自然物理学杂志》上,将揭晓困扰科学家多年的人脑灰质结构之谜,同时,有助于治疗与大脑皮层褶皱不足或者过度褶皱相关的某些疾病。

美国斯坦福大学的埃伦-库尔(Ellen Kuhl)称,他们提供了差别生长理论的第一实验证据,演示了物理作用力并不仅是生物化学过程,这在神经发育过程中具有至关重要的意义。这项发现对于临床诊断和治疗十分重要,有助于预防多种神经系统疾病。

当你想到大脑,就会浮现出粉色、褶皱物体,犹如泄气的篮球,但事实上并不是所有物种的大脑都具有褶皱结构,例如:体形较小的老鼠大脑是光滑粉色结构。人类婴儿怀孕23周才形成褶皱。

研究人员将这个大脑3D模型浸入一种液体溶剂中,导致类似弹性皮层的外层结构开始生长,最终形成与真实大脑相近的褶皱结构。

长期以来,科学家知道大脑褶皱结构具有许多益处——大脑皮层褶皱结构比光滑表面具有更多的连通性,库尔说:“每个皮层神经元与其它7000个神经元建立连接,结果形成长达15万公里的神经纤维。”

许多研究人员试着分辨这些细胞或者生物化学过程的工作原理,但是哈佛大学物理学家拉罕米拉亚那-马哈德万(Lakshminarayanan Mahadevan)决定研究大脑褶皱结构的物理原理,并设计了一个大脑数学模型。据悉,40多年前另一支哈佛大学研究小组认为,大脑组织中成长差异性可以解释褶皱结构。

研究人员计划揭晓大脑褶皱的成长特性,但是在实验中如果直接使用人脑存在很大的困难,目前,哈佛大学组建一支研究小组,借助3D打印技术揭晓了人类大脑皮质如何生长并产生褶皱。首先,他们使用22周胎儿光滑胎脑的磁共振图像,3D打印一个凝胶模型,它可以模拟大脑“白质”,它能够转换成一层较薄的弹性凝胶层,来模拟“灰质层(皮层组织)”。之后研究人员将这个大脑3D模型浸入一种液体溶剂中,导致类似弹性皮层的外层结构开始生长,最终形成与真实大脑相近的褶皱结构。

结果显示,皮层组织开始生长,但是它仅固定在白质之上,伴随着皮质膨胀,最终该结构崩溃,形成脑回和深沟,覆盖在大脑皮层表面。马哈德万称,我们发现大脑褶皱成长过程与分子等级变化密切相关,生物化学过程导致细胞移动,使细胞产生分裂和改变形状,出现数量变化。这意味着神经细胞的数量、大小、形状以及位置变化会导致灰质扩张,使大脑皮层在压力下出现物理作用力的机械不稳定,最终形成褶皱结构。

这项研究有助于科学家更好地理解各种神经系统疾病,同时,还将帮助我们识别孤独症、精神分裂症或者老年痴呆症早期诊断的局部解剖标记,最终设计出更高效的治疗方案。(悠悠/编译)

责编:李文瑶