科学家3D打印人类大脑 欲揭晓褶皱形成之谜

据美国洛杉矶时报报道，目前，美国哈佛大学科学家通过3D打印一个凝胶大脑，并观察它的“生长过程”，发现了人类大脑皮层如何产生褶皱。他们指出，人类大脑发育过程中，神经细胞的数量、大小、形状以及位置变化会导致灰质扩张，从而使皮层在压力下出现“机械不稳定”，最终形成褶皱。

这项最新发现发表在近期出版的《自然物理学杂志》上，将揭晓困扰科学家多年的人脑灰质结构之谜，同时，有助于治疗与大脑皮层褶皱不足或者过度褶皱相关的某些疾病。

美国斯坦福大学的埃伦-库尔(EllenKuhl)称，他们提供了差别生长理论的第一实验证据，演示了物理作用力并不仅是生物化学过程，这在神经发育过程中具有至关重要的意义。这项发现对于临床诊断和治疗十分重要，有助于预防多种神经系统疾病。

当你想到大脑，就会浮现出粉色、褶皱物体，犹如泄气的篮球，但事实上并不是所有物种的大脑都具有褶皱结构，例如：体形较小的老鼠大脑是光滑粉色结构。人类婴儿怀孕23周才形成褶皱。

研究人员将这个大脑3D模型浸入一种液体溶剂中，导致类似弹性皮层的外层结构开始生长，最终形成与真实大脑相近的褶皱结构。

长期以来，科学家知道大脑褶皱结构具有许多益处——大脑皮层褶皱结构比光滑表面具有更多的连通性，库尔说：“每个皮层神经元与其它7000个神经元建立连接，结果形成长达15万公里的神经纤维。”

许多研究人员试着分辨这些细胞或者生物化学过程的工作原理，但是哈佛大学物理学家拉罕米拉亚那-马哈德万(LakshminarayananMahadevan)决定研究大脑褶皱结构的物理原理，并设计了一个大脑数学模型。据悉，40多年前另一支哈佛大学研究小组认为，大脑组织中成长差异性可以解释褶皱结构。

研究人员计划揭晓大脑褶皱的成长特性，但是在实验中如果直接使用人脑存在很大的困难，目前，哈佛大学组建一支研究小组，借助3D打印技术揭晓了人类大脑皮质如何生长并产生褶皱。首先，他们使用22周胎儿光滑胎脑的磁共振图像，3D打印一个凝胶模型，它可以模拟大脑“白质”，它能够转换成一层较薄的弹性凝胶层，来模拟“灰质层(皮层组织)”。之后研究人员将这个大脑3D模型浸入一种液体溶剂中，导致类似弹性皮层的外层结构开始生长，最终形成与真实大脑相近的褶皱结构。

结果显示，皮层组织开始生长，但是它仅固定在白质之上，伴随着皮质膨胀，最终该结构崩溃，形成脑回和深沟，覆盖在大脑皮层表面。马哈德万称，我们发现大脑褶皱成长过程与分子等级变化密切相关，生物化学过程导致细胞移动，使细胞产生分裂和改变形状，出现数量变化。这意味着神经细胞的数量、大小、形状以及位置变化会导致灰质扩张，使大脑皮层在压力下出现物理作用力的机械不稳定，最终形成褶皱结构。

这项研究有助于科学家更好地理解各种神经系统疾病，同时，还将帮助我们识别孤独症、精神分裂症或者老年痴呆症早期诊断的局部解剖标记，最终设计出更高效的治疗方案。

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