皮层折叠的物理机制


周不润, NeuroTimes   |   Feb. 2, 2016


Credits: nature.com


典型的成年人大脑体积1200立方厘米,表面积2000平方厘米,皮层厚度2.5毫米,包含近千亿神经元,约200亿位于皮层上,每个皮层神经元与其他7000个神经元相连,产生1.5千亿个连接,神经纤维加起来可达15万公里。皮层折叠的过程Gyrification,被认为是最大化神经元数量,并最小化这些神经元连接距离的过程,最终在大脑表面形成了沟回。

然而,对皮层折叠在进化中的功能可以解释,对其机制一直都还不清楚。Gyrification过程开始于人类妊娠的第23周,并一直发育直到成年,这期间增长了20倍的体积,30倍的表面积,而皮层厚度却维持不变。折叠不足或过度,都会导致发育障碍。因此,对机制的了解也显得很重要。

Nature Physics的文章发现,大脑折叠也许不单单是基因、生化或细胞调控的结果,还有可能是受物理调控的。他们利用MRI和3D打印,制作出凝胶状的22周光滑胎儿大脑模拟物。当把这个模拟物放入可吸收的溶液中时,大脑模拟物外层相对于内部开始膨胀,类似人类大脑的皮层发育,几分钟内,这种膨胀带来的压力就导致了表面出现了褶皱,就像真正的大脑那样。

作者认为,目前对皮层折叠最合理的假说还是“皮层相对于内层的切向膨胀产生了压缩应力,导致皮层的机械折叠”。在3D打印的辅助下,他们得到真实尺寸和不同层次的大脑模拟物,并通过凝胶和液体的特性让其以不同速率“生长”,最终观察到了物理折叠现象。

越来越多的物理和数学参与到生物学研究中来。去年一篇Science文章,认为皮层发育遵循一个简单的数学函数:从皮层的表面积和皮层厚度的平方根产生的一个幂函数。这个对于Gyrification的物理学研究也显示,也许一些神经发育和疾病的根源是物理学,而不是生物学。




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