Πώς δημιουργούνται οι πτυχώσεις του εγκεφάλου. How the Human Brain Gets Its Wrinkles

Δημιουργώντας μοντέλα με ένα τζελ επιστήμονες είδαν ότι η διαμόρφωση των πτυχώσεων και των αυλακώσεων του εγκεφάλου είναι καθαρά... μηχανική υπόθεση. Known empirical scaling laws for gray-matter volume and thickness are mapped on a g2 vs. R/T diagram. Corresponding simulations for spherical brain configurations, with images shown at a few points, show that the surface remains smooth for the smallest brains, but becomes increasingly folded as the brain size increases. Credit: (c) Tuomas Tallinen, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1406015111

Κάποιοι λένε ότι θυμίζει καρύδι, όμως η «ρυτιδιασμένη» επιφάνεια που χαρακτηρίζει τον εγκέφαλό μας αποτελεί και το δείγμα της δύναμής του. Όσο περισσότερες είναι οι πτυχώσεις και οι αυλακώσεις του τόσο πιο σύνθετος και εξελιγμένος είναι, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εμείς οι άνθρωποι έχουμε τον πιο «ζαρωμένο» εγκέφαλο από όλα τα θηλαστικά. Ο τρόπος όμως με τον οποίο δημιουργείται αυτό το εγκεφαλικό «ανάγλυφο» δεν έχει εξιχνιαστεί. Τώρα μια ομάδα επιστημόνων υποστηρίζει ότι βρήκε την απάντηση στους νόμους της Μηχανικής.

Πολύτιμη φαιά ουσία

The human brain is relatively large and very wrinkled. Wrinkles increase the surface are for neurons. Credit: Elizabeth Atkinson, Washington University in St. Louis.

Η εξωτερική στοιβάδα του εγκεφάλου, ο φλοιός, αποτελείται από τη λεγόμενη «φαιά ουσία» (νευρώνες, δενδρίτες, άξονες, νευρογλοία και άλλα κύτταρα). Το «αυλακωτό» σχήμα του φλοιού προσφέρει στον εγκέφαλο τη δυνατότητα να «χωρέσει» περισσότερη φαιά ουσία μέσα στον περιορισμένο χώρο του κρανίου. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο ο αριθμός των πτυχώσεων και των αυλακώσεων συνδέεται με την ικανότητα: όσο πιο πολλές είναι τόσο περισσότερη φαιά ουσία διαθέτει και άρα μπορεί να εκτελέσει πιο σύνθετες λειτουργίες και να επεξεργαστεί περισσότερες πληροφορίες.

Researchers found that the particular pattern of the ridges and crevices of the brain's convoluted surface, which are called gyri and sulci, depends on two simple geometric parameters: the gray matter's growth rate and its thickness. The development of the brain's wrinkles can be mimicked in a lab using a double-layer gel, according to the study published in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences. Photo credit: Gray’s Anatomy via Wikimedia

Το πώς επιτυγχάνεται ωστόσο αυτό το «στρίμωγμα» της φαιάς ουσίας μέσα στο κρανίο μας δεν είναι γνωστό. Πολλές θεωρίες έχουν προσπαθήσει να δώσουν μια απάντηση. Από τις επικρατέστερες μία υποστηρίζει ότι περισσότεροι νευρώνες συγκεντρώνονται σε ορισμένα σημεία σχηματίζοντας έτσι τις υπερυψωμένες καμπύλες του εγκεφάλου, ενώ μια άλλη υποπτεύεται ότι οι άξονες, οι ίνες που συνδέουν τους νευρώνες μεταξύ τους και δημιουργούν τα δίκτυα ανάμεσα σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου κάνουν τη φαιά ουσία να «κάθεται» σχηματίζοντας τις αυλακώσεις.

Με τζελ και διαλυτικό

Forget neurons migrating to the "hills" of the folds in our brains, the folded shape of our cortex can be explained by simple expansion.

Ο Λ. Μαχαντεβάν, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, και συνάδελφοί του από τα πανεπιστήμια του Ζιβασκίλα στη Φινλανδία και του Κέιμπριτζ στη Βρετανία αποφάσισαν να διερευνήσουν το ζήτημα αναπαράγοντας με ένα μοντέλο τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσεται η φαιά ουσία κατά το εμβρυϊκό στάδιο (η φαιά ουσία του εμβρύου αυξάνεται με την ανάπτυξη νέων νευρώνων ή με τη μετακίνηση νευρώνων από το κέντρο του εγκεφάλου προς τον φλοιό). Χρησιμοποίησαν ως φαιά ουσία ένα τζελ το οποίο τοποθέτησαν στην επιφάνεια ενός στερεού ημισφαιρίου από τζελ που έπαιζε τον ρόλο της υποκείμενης λευκής ουσίας. Προσθέτοντας στο επιφανειακό τζελ διαλυτικό οι ερευνητές το έκαναν να επεκταθεί μιμούμενο τον τρόπο με τον οποίο θα επεκτεινόταν η φαιά ουσία (στο μοντέλο δεν ελήφθη υπόψη η επίδραση, αν υπάρχει, από τον «περιορισμό» του κρανίου).

Αλλάζοντας διάφορες παραμέτρους, όπως η σκληρότητα του τζελ ή το βάθος της επιφανειακής στοιβάδας, οι επιστήμονες κατέληξαν σε έναν συνδυασμό ο οποίος παρήγαγε λείες καμπυλωτές πτυχώσεις και βαθιές αυλακώσεις παρόμοιες με αυτές του εγκεφαλικού φλοιού. Το συμπέρασμα από τα πειράματά τους είναι ότι οι πτυχώσεις του εγκεφάλου δημιουργούνται εξαιτίας της μηχανικής αστάθειας που υπάρχει σε έναν μαλακό ιστό ο οποίος αυξάνεται ανομοιόμορφα. Όπως είδαν, από τη στιγμή που ο φλοιός είναι προσκολλημένος στη λευκή ύλη που βρίσκεται από κάτω του εξαιτίας της μηχανικής του αστάθειας, η επέκτασή του είναι ο μόνος παράγοντας που απαιτείται για να οδηγηθεί στο «ζάρωμά» του. «Από τη στιγμή που υπάρχει αυτό, όλα τα άλλα ακολουθούν» δήλωσε ο καθηγητής Μαχαντεβάν στο «New Scientist». «Είναι ένας υπερβολικά απλός μηχανισμός».

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Proceedings of the National Academy of Sciences».