Човешкият мозък е наречен най-сложният обект в известната Вселена. И с основание: той има около 86 милиарда неврона и няколкостотин хиляди километра аксони, които ги свързват. Процесът на нагъване на мозъка, при който се създават гънките, също е невероятно сложен. Механизмът, който лежи в основата на този процес, дълго време беше слабо изучен.
Екип от изследователи от Харвардската школа по инженерство и приложни науки в екип с учени от Финландия и Франция са изучили механиката на нагъването на мозъка и са се опитали да визуализират този процес. Според тях това може да помогне в бъдеще за изследване, по-добро диагностициране и лечение на много заболявания, включително нарушения в развитието на мозъка и епилепсия. Много заболявания възникват в ранните стадии на развитие на мозъка, така че разбирането на процеса на неговото нагъване ще предостави важна информация за нормалното и патологичното му функциониране.
Мозъкът е изграден от два слоя. Външният слой, наречен мозъчна кора, се състои от нагънато сиво вещество, съставено от малки кръвоносни съдове и сферични клетъчни тела от милиарди неврони. Вътрешният слой се състои от бяло вещество, състоящо се предимно от опашките на невроните, наречени миелинизирани аксони.
Сред няколкото хипотези, предложени от учените за обяснение на нагъването на мозъка, теорията за диференциалния тангенциален растеж е най-често срещаната, тъй като е добре подкрепена от експериментални наблюдения. Според тази теория външният слой на мозъка расте по-бързо от вътрешния слой поради начина, по който невроните се размножават и мигрират по време на развитието. Несъответствието в темповете на растеж води до увеличаване на силите на натиск върху външния слой на мозъка, което води до цялостна нестабилност на растящата структура. Но нагъването на слоевете премахва тази нестабилност.
Изследователите са конструирали механичен модел на мозъка, при който скоростта на растеж на външния слой е по-висока от тази на вътрешния слой. От този модел може да се види, че несъответствието в скоростта на растеж води до това, че вътрешният слой блокира разпространението на външния слой. Външният слой, който не може да се разшири повече, се нагъва във вътрешния слой, достигайки стабилна структура. Още едно изследване с използването на 3D отпечатан хидрогелов модел на мозък показва същите резултати: несъответствието в скоростта на растеж води до нагъване на външния слой.
Изследователският екип е установил, че дебелината на външния слой на мозъка и степента на твърдост на двата слоя един спрямо друг влияят на крайната форма на развиващия се мозък. Освен това моделирането показва, че аксоните играят роля в регулирането на процеса на нагъване на мозъка. „Хребетите“ на мозъчните гънки се образуват в области с голям брой аксони, а „долините“ се образуват в области с ниска плътност на аксони. Това е било потвърдено с помощта на невровизуализация и тъканни образци от истински човешки мозък. Тези изводи биха могли да помогнат за изучаването на произхода на заболявания като аутизъм и шизофрения, при които структурата и мозъчните връзки са неравномерни.
Симулациите показват, че мозък с анормална структура води до разрушителни състояния. По този начин мозъчен модел с по-дебел външен слой образува различен брой хребети и долини от модел с нормална дебелина. Това може да доведе до състояние, наречено лисенцефалия, или гладък мозък, при което мозъчните гънки напълно липсват. Понякога, напротив, става дума за прекомерно нагъване. Хората с това състояние могат да имат леки до тежки неврологични проблеми, включително гърчове, парализа и забавяне в развитието.
Изкуственият интелект в бъдеще може да предостави още повече знания за нормалния растеж и формиране на човешкия мозък. Точното разбиране на механизмите, лежащи в основата на нагъването и връзките в мозъка, ще помогне за създаването на инструменти за ранна диагностика на различни заболявания.
