揭示大腦如何形成褶皺

相較于鼠腦(左),人腦擁有大量溝回。

一項新的研究顯示,人們的大腦之所以布滿褶皺并具有核桃似的形狀,是因為大腦皮層即灰質的快速生長受到了白質的限制。

研究人員發現,大腦皮層凹陷的溝和隆起的回取決于兩個簡單的幾何參數——灰質的生長速度及其厚度。8月18日發表在美國《國家科學院學報》月刊上的研究顯示,可以在實驗室利用雙層凝膠模擬大腦褶皺的形成。

研究人員指出,除了這些限制,基因也對決定大腦形狀有所影響,因為基因對神經細胞如何增殖并移動到它們的目的地起調控作用。

所有哺乳類物種都有大腦皮層,但只有較大型的哺乳類才具有褶皺的大腦皮層。舉例而言,老鼠大腦的表面光滑,而比這大得多的大腦,比如人類的大腦則具有大量溝回。褶皺的大腦皮層擁有更大的表面面積,這就意味著具備更強大的信息處理能力,但尚未完全清楚是什么因素決定了人類大腦的標志性溝回形狀。

掌握大腦是如何形成褶皺的,可能有助于科學家更好地解釋多小腦回、巨腦回、無腦回等先天性病癥。

歷史上,關于腦溝和腦回是如何形成的有三種思路:一種看法是,大腦皮層的某些區域生長較快進而比其他區域凸出,形成了腦回。另一個看法是,相互之間高度關聯的神經細胞群被構成白質的絲狀軸突機械地拉近距離。然而,證據表明上述兩種觀點都不正確。第三種看法是,灰質的生長超過白質,形成了“褶皺”,令大腦皮層具備這種形狀。

但研究人員稱,模擬這種褶皺的早期嘗試并未獲得成功。在此前的研究中,研究人員假設灰質是薄且堅硬的,在厚且柔軟的白質上生長,但根據這種假設所產生的褶皺與真實的人類大腦上的褶皺并不相同。

在新的研究中,研究人員假設灰質和白質具有相似的堅硬程度,但生長速度不同。利用數學模擬的方法,根據大腦大小的不同,他們的模擬產生了不同的大腦皮層形狀。舉例而言,直徑不足1.3厘米的小型大腦預計會產生光滑的大腦皮層。中等大小的大腦預計會在灰質中產生一些腦溝,而體積較大的大腦則會變得十分褶皺,會有腦溝陷入白質。

科學家們還利用雙層膨脹凝膠材料復制了大腦形成褶皺的現象,并表明,只有這兩層具備相似的柔軟程度時,形成的褶皺看上去才會與人類大腦的腦溝和腦回相似。

研究人員指出,雖然他們的模擬可用于最基本的腦溝和腦回,但這并不能解釋大腦更加復雜的特征,比如,將左右腦分開的大腦縱裂,以及區分大腦主要腦葉的其他大的腦溝。