Напечатанная на 3D-принтере модель демонстрирует формирование извилин мозга человека (+ видео)

С помощью модели можно увидеть, что наличие борозд и извилин в мозге человека и некоторых других млекопитающих обусловлено физическим процессом роста, а не биологическими факторами. Результаты исследования могут повлиять на диагностику и даже лечение нескольких неврологических расстройств, включая болезнь Альцгеймера, аутизм и шизофрению.

Известно, что внешний слой мозга человека, называемый корой, покрыт глубокими бороздам и складками. Тем не менее, многие не представляют, что первоначально мозг человека абсолютно гладкий, а борозды начинают развиваться примерно на двадцатой неделе беременности, причем этот процесс продолжается до полутора лет.

Достаточно давно ученые выяснили, почему мозг человека и некоторых других животных, включая приматов, слонов, дельфинов и свиней, образует борозды. Это способ уместить более крупную кору в небольшом объеме, ограниченном черепной коробкой. Больший размер коры означает большее количество соответствующих нейронов, а значит – улучшенные когнитивные и интеллектуальные способности.

Тем не менее, вопрос о том, как именно на коре образуются складки, слишком долго не давал покоя ученым. Некоторые теории подчеркивали важность генетических, клеточных или других биологических механизмов, однако получение конкретных доказательств было ограничено соображениями этики в отношении исследований на настоящем человеческом мозге.

Теперь международной команде исследователей удалось применить 3D-печать для создания реалистичной модели роста мозга. С ее помощью они смогли доказать, что, несмотря на ряд важных молекулярных процессов, основной причиной образования борозд на коре мозга является «элементарная механическая нестабильность» – проще говоря, сжатие и изгибание.

Для того, чтобы доказать эту теорию, ученые изготовили с помощью 3D-печати многослойную модель гладкого мозга плода. Каждый слой был сделан из определенного мягкого геля, который должен расширяться под разными углами при погружении в раствор. Модель неравномерного роста была разработана специально, чтобы с точностью имитировать развитие мозга человека в утробе.

По словам исследователей, будучи погруженным в раствор, внешний слой модели за несколько минут начал расширяться значительно быстрее, чем другие слои, а затем механически сжиматься. В результате образовались борозды и складки, похожие по форме и размеру на строение коры настоящего мозга. Ученые также создали математические модели на основе тех же геометрических данных – эти модели дополнительно подтверждают полученные результаты.

Понимание механизма образования извилин может быть ключом к пониманию, диагностике и, потенциально, даже лечению расстройств, связанных с неправильным формированием мозга, его размерами, миграцией клеток и толщиной коры. Хотя исследователи отмечают, что напечатанная на 3D-принтере модель из геля всего лишь предсказывает процессы, происходящие только в самых простых и базовых структурах мозга, это, все же, важный шаг к воссозданию более сложных и динамических борозд и извилин коры мозга.