科學家們已經確切地發現了人腦在子宮內如何獲得其褶皺、皺紋的外觀。
事實證明，大腦外層（稱為皮層）中腦細胞數量的巨大爆炸式增長迫使該層膨脹，然後自身塌陷，形成那些特徵性的褶皺。這種皮質摺紙——也在少數其他聰明的物種（如海豚和一些靈長類動物）中進化出來——可能是大自然解決緊密堆積問題的方法。
“這種簡單的進化創新，透過迭代和變異，允許將大型皮層壓縮到小體積中，並且很可能是大腦摺疊（稱為腦回化）背後的主要原因，”研究合著者、哈佛大學應用數學家 L. Mahadevan 說。[影片：觀看容器中的大腦如何產生其標誌性皺紋]
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堆滿了腦細胞
人腦的外表面是由彎曲的凸起和裂縫組成的大量物質，稱為腦回和腦溝，全部由灰質構成。灰質下方是白質，即在腦和身體其他部位之間傳送和接收訊號的神經纖維束。科學家們長期以來一直懷疑，這種皺紋狀的大腦表面進化是為了將更多的腦細胞或神經元擠壓到相對較小的大腦空間中。
但是，大腦究竟是如何摺疊的仍然更加神秘。Mahadevan 和他的同事們預感，大腦組織的簡單機械特性有助於產生這種效果。灰質在其底部附著在白質上，兩者都具有相似的剛度。但在皮質擴張期間，灰質生長得更快，即使它仍然在機械上與白質結合。在 2014 年的一項研究中，研究人員表明，來自擠壓神經元的壓力導致屈曲，迫使組織自身塌陷，形成那些特徵性的褶皺。他推斷，僅兩個引數——大腦的生長速率和大腦的大小——就可以幫助解釋出現的摺疊模式型別。該團隊還使用兩個簡單的腦半球製作了一個模型。
在新的研究中，研究人員決定在更準確地反映人腦解剖結構的凝膠複製品中測試他們的理論。在子宮中，胎兒的大腦最初是光滑的，但在妊娠 14 周至 26 周之間，胎兒的大腦從一個腦區到下一個腦區以可預測的順序摺疊和彎曲，《婦產科超聲雜誌》1997 年的一項研究發現。
為了重現這個過程，該團隊收集了胎兒大腦的磁共振成像 (MRI) 影像，並使用這些影像製作了發育中人腦的解剖學上精確的凝膠重建模型。
該團隊在模擬大腦的外層塗上了一層有彈性的彈性體凝膠，以模擬皮質層。他們將這個胎兒大腦複製品放入溶劑容器中。
大腦迅速吸收了溶劑，其外層比內層膨脹得更快。這種不均勻的膨脹導致了壓縮和屈曲，並在幾分鐘內，該團隊再現了大腦的腦回和腦溝。更重要的是，形成模式與真實大腦中發現的模式驚人地相似，研究人員今天（2 月 1 日）在《自然物理》雜誌上報道。
“當我把模型放入溶劑中時，我知道應該會發生摺疊，但我從沒想過會與人腦相比有如此接近的模式，”研究合著者、哈佛大學工程與應用科學學院的研究員 Jun Young Chung 說。“它看起來像一個真正的大腦。”
有趣的是，該團隊還表明，最大褶皺的大小、形狀和方向是高度可靠的，無論將複製大腦放入溶劑中多少次，其褶皺方式都相同。較小的皺紋似乎是獨一無二的，在每次實驗中摺疊方式都不同。這模仿了人腦中的模式，其中最大的摺疊模式在健康人中是一致的，但每個人都有獨特的細小皺紋模式。
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