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近日，來自哈佛大學(xué)與芬蘭、法國(guó)的科學(xué)家組成的一支研究團(tuán)隊(duì)，借助3D打印技術(shù)確認(rèn)了人類的大腦皮層是如何成長(zhǎng)并產(chǎn)生褶皺。實(shí)際上，像人類大腦這樣復(fù)雜的褶皺和溝回在大多數(shù)動(dòng)物中都是不存在的；高度折疊的大腦只在極少數(shù)的物種，包括一些靈長(zhǎng)類動(dòng)物以及海豚、大象和豬當(dāng)中存在。而在人類當(dāng)中，胎兒大腦的“折疊”從懷孕的第二十周就開始了，直到孩子1.5周歲時(shí)才算完成。

大腦皮層為什么會(huì)折疊，從進(jìn)化論的角度很好解釋，因?yàn)榇竽X的褶皺大大增加了皮層的表面積，從而有助于提升人類的認(rèn)知功能。

但是科學(xué)家們所不知道是，大腦折疊的過程是如何發(fā)生的。迄今科學(xué)界已經(jīng)提出了幾種假說，但是都沒有得到直接證明。如今，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員與芬蘭和法國(guó)的科學(xué)家合作研究已經(jīng)表明，盡管在確定細(xì)胞活動(dòng)的過程中，許多分子過程發(fā)揮了重要作用，但是最終導(dǎo)致大腦折疊的是一種簡(jiǎn)單的與屈曲相關(guān)的機(jī)械不穩(wěn)定性。

這一研究結(jié)果被發(fā)表在了《Nature Physics》雜志上。

據(jù)了解，大腦的褶皺的重要性在于它為人類打開大腦、解開大腦相關(guān)疾病的內(nèi)部機(jī)理提供了重要基礎(chǔ)。

“我們可以使用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的物理原理來模仿大腦皮質(zhì)的折疊，得到的結(jié)果類似于我們所看到的真正的胎兒的大腦。”哈佛大學(xué)L. Mahadevan教授稱。

科學(xué)家們稱，人類大腦在發(fā)育過程中，神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)目、大小、形態(tài)和位置的變化導(dǎo)致灰質(zhì)（又被成為皮層，與底層白質(zhì)相對(duì)應(yīng)）的擴(kuò)展。這使得大腦皮層在壓力下導(dǎo)致機(jī)械不穩(wěn)定，從而在產(chǎn)生褶皺。

“再加上簡(jiǎn)單的進(jìn)化創(chuàng)新，比如迭代和變化，使得薄而廣闊的大腦皮層被團(tuán)成一團(tuán)，這就是大腦折疊的主要原因，即腦回化。”Mahadevan教授稱。

Mahadevan教授之前曾經(jīng)與前博士后研究員Tuomas Tallinen，及博士后研究員Jun Young Chung共同進(jìn)行過一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，他們只需要兩個(gè)參數(shù)就可以解釋大腦的外皮層和軟組織由于生長(zhǎng)差別而導(dǎo)致的皮層折疊模式。這兩個(gè)參數(shù)是腦子的相對(duì)尺寸和皮層的相對(duì)膨脹。

在此基礎(chǔ)上，Mahadevan的團(tuán)隊(duì)與法國(guó)神經(jīng)解剖專家和放射科醫(yī)師進(jìn)行合作，使用人類胎兒的數(shù)據(jù)直接測(cè)試這個(gè)理論。首先，該研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)胎兒腦部的MRI成像數(shù)據(jù)3D打印出了一個(gè)凝膠模型。該模型的表面涂覆著一層薄薄的彈性體，以模仿大腦皮層。為了模擬大腦皮層的擴(kuò)張，科學(xué)家們將凝膠大腦浸在一種溶劑中，該溶劑可以被外層吸收，這會(huì)使它相對(duì)于內(nèi)部區(qū)域膨脹，從而產(chǎn)生出了無論在大小和形狀上與真正的大腦都非常相似的褶皺。

這種相似的程度，甚至讓研究人員們驚訝。Chung說：“當(dāng)我把模型放進(jìn)溶劑中時(shí)，我知道應(yīng)該有折疊，但我從來沒有想到是那種接近人類大腦的模式。它看起來像一個(gè)真正的大腦。”

科學(xué)家們解釋說，造成如此相似的關(guān)鍵在于人類大腦的獨(dú)特形狀。“大腦的幾何形狀是非常重要的，因?yàn)樗梢栽谀承┓较蛏隙ㄎ获薨櫋?rdquo;Chung說。“我們的模型在幾何形狀和曲率方面與人類的大腦是一樣的，這就導(dǎo)致形成的褶皺與現(xiàn)實(shí)中胎兒的大腦非常匹配。”

據(jù)稱，該凝膠腦模型中生成的最大褶皺與胎兒腦中看到的無論在形狀、大小和方向上都很類似，而且可以在多個(gè)凝膠實(shí)驗(yàn)中重現(xiàn)。不過最小的褶皺則并不相同。

“人類的大腦并不是完全一樣，但是我們健康人大腦的主要褶皺都應(yīng)該是相同的。”Chung說。“我們的研究表明，如果大腦的一部分不正常生長(zhǎng)，或者如果整個(gè)大腦半球的幾何形狀被破壞，那么這個(gè)大腦的主要褶皺可能就不會(huì)產(chǎn)生在正確的地方，這可能會(huì)導(dǎo)致潛在的功能障礙。”