Вчені з'ясували, що спільного між мозком і зім'ятим аркушем паперу

Модель складчастості мозку збіглася з моделлю зім'ятого листа паперу - вчені.

Все геніальне просто. Так вийшло і зі складним завданням нейрофізіології про розвиток складчастості кори головного мозку. Після довгих років дослідження вченим, нарешті, вдалося створити математичну модель складчастості, яка дивним чином збіглася з моделлю зім'ятого листа паперу, пише likar.info .

Проста відповідь на складне питання

Що спільного між мозком і зім'ятим листом офісного паперу? Паралелей не так вже й багато, але зім'ята в кульку папір допомогла вирішити одну з найбільш інтригуючих завдань про розвиток людського мозку. Як виявилося, мозок ссавців розвивається подібно зім'ятий аркуш паперу, що описується однією математичною функцією.

"Це воістину блискуче дослідження, яке дозволило здійснити значний прогрес в розумінні вченими того, як розвивається мозок", - розповідає нейробіолог з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско Арнольд Крігштейн.

Дослідження також проливає світло на механізми, що лежать в основі деяких структурних порушень головного мозку, і може допомогти в майбутньому в створенні специфічної терапії для полегшення симптомів цих захворювань.

Кора головного мозку і її загадки

Кора головного мозку людини є складним зморшкуватий ландшафт зі своїми "хребтами", званими звивинами і "долинами", званими борознами. Існує явна перевага такої кортикальной складчастості. Наявність більш тонкої, складної кори означає, що передача інформації з однієї точки в іншу охоплює меншу відстань і може відбуватися набагато швидше.

Звивини і борозни виникають у людей під час третього триместру вагітності. Довгий час залишалося загадкою, які саме сили стоять за їх утворенням. За словами невролога Федерального університету Ріо-де-Жанейро Сузанни Херкулано-Сузель, протягом довгого часу панували два пояснення щодо механізмів утворення складчастої структури кори головного мозку, але вони були взаємовиключними.

Перша гіпотеза полягала в тому, що чим більше мозок, тим складнішою і складчастої буде його кора. Однак ця гіпотеза так і не змогла пояснити особливості будови мізків у деяких тварин, наприклад, у ламантинів. Незважаючи на те, що мозок ламантина має практично такий же розмір, як і у бабуїна, останній має високу ступінь складчастості, в той час як мозок ламантинів майже повністю гладкий. Китоподібні також виявилися проблемою для даної гіпотези. Наприклад, мозок дельфіна набагато більш гладкий, ніж мозок людини, не дивлячись на те, що мозок дельфіна і людини майже однакові за розміром.

Друга гіпотеза полягала в тому, що складчастість мозку пояснюється збільшенням числа нейронів. Тобто, це ніщо інше як спосіб забезпечити це зростання числа нейронів, що необхідно для розвитку вищої нервової діяльності. Франц Галл, вчений-нейрофізіолог, ще в 19 столітті припустив, що мозок складний таким чином, щоб більша поверхня кори вмістилася всередині простору черепа. Альтернативна теорія припускає, що кора мозку розширювалася, як повітряна куля, що, в підсумку, і призвело до такої складчастості.

У цієї гіпотези є безліч протіворечій.Так, кора мозку людини має в три рази більше нейронів, ніж кора мозку слона, проте маса людського мозку в 2 рази менше слонової. У бабуїнів і свиней приблизно однаковий рівень складчастості мозку, в той час, як у бабуїнів майже в 10 разів більше нейронів, ніж у свиней. Ці протиріччя свідчать про те, що різні види тварин мають різними механізмами контролю складчастості кори головного мозку. Іншими словами, кожен вид має свій спосіб контролю розвитку кори головного мозку.

Яким чином складається кора головного мозку

Для моделювання складчастості мозку вчені побудували ступеневу функцію, отриману з твору поверхні кори і квадратного кореня товщини кори. Коли один з учених глянув на графік, то вигукнув: "Це ж аркуш паперу!". Дослідники помітили, що та ж сама модель, яка передбачала ступінь складчастості мозку, також пояснює і складчастість паперових аркушів. Щоб перевірити цю теорію, дослідники просто провели лінійні вимірювання зім'ятих аркушів паперу.

Цей найпростіший експеримент ви можете провести у себе вдома. Скомкають аркуш паперу і покладіть його на стіл. Ви побачите, як зім'ятий кулька трохи розширюється, оскільки звільняє певну кількість енергії. Однак, врешті-решт, він приймає остаточну зім'яту форму, яка є найбільш вигідною з енергетичної точки зору після того, як ви доклали силу для того, щоб зім'яти його. Ця остання конформація є новим станом кульки. У ньому мінімальна кількість ефективної вільної енергії. Це стан, в якому кулька найбільш стійкий. Навіть в умовах, коли на зім'ятий аркуш паперу не діють зовнішні сили, він все ж зберігає форму кульки. Як зім'ятий папір, складений мозок не змінюватиме свого стану.

Як відомо, більш щільний папір призводить до меншої кількості складок при її стисненні. Та ж парадигма справедлива і для мозку. Візьміть три аркуші паперу і скомкають їх як один лист. Ця куля буде набагато більше із-за додаткової ваги матеріалу.

Більш товста кора головного мозку складається менше і оформляється в поверхню з меншим числом вигинів (звивин і борозенок). Модель зім'ятого паперу також показує, що більша площа поверхні привела до більшого згортання. Результати показують, що в міру зростання мозку, що розвивається товщина і площа поверхні тканини, а також час впливають на те, як кора головного мозку складається.

Сили, що діють на кору головного мозку

Сили, що діють на папір, виходять з зусиль руки людини, в той час як сили, прикладені до кори головного мозку, виникають з декількох джерел. Наприклад, зовні діє атмосферний тиск, що впливає на спинномозкову рідину. Існує також тиск, який чиниться клітинами, що формують мозок. Ця комбінація сил, а також товщина і площа поверхні змушують кору головного мозку згинатися в характерні складки.

Дослідження зім'ятого паперу дає певне уявлення про те, яким чином в мозку відбуваються ті чи інші порушення. Наприклад, ліссенцефалія, що представляє собою згладжування кори головного мозку, без будь-яких борозенок або складок. Дослідники прийшли до висновку, що цей розлад виникає через порушення міграції нейронів в головному мозку. Відсутність складчастості при такій аномалії пояснюється тим, що кора головного мозку в даному випадку майже в 4-5 разів товщі нормальної.

Читайте найважливіші та найцікавіші новини в нашому Telegram