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大脑里的“弯弯绕” 我们知道多少?

2016-02-27 08:18 科普中国 发起了问题|关注(0)|回复(1)|查看(383)

研究者们将一个凝胶做成人的大脑模型放进有机溶剂中泡胀,完成了这次“大脑发育“的模拟。这个泡在溶剂中的模型将帮助人们理解大脑沟回的形成过程。
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科普中国

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大脑的沟回是“挤”出来的?


最近,发表在《自然?物理》期刊上的其中一项研究成果很吸引人们的眼球,研究者们将一个凝胶做成人的大脑模型放进有机溶剂中泡胀,完成了这次“大脑发育“的模拟。这个泡在溶剂中的模型将帮助人们理解大脑沟回的形成过程。最后,研究者们认为,大脑沟回或许是在皮层生长过程中自然而然地“挤”出来的。


 


大脑沟回的形成似乎是一个单纯的物理过程,不过研究者也指出,不排除分子生物学层面的机制也发挥着作用


大脑的沟回到底是怎么形成的?这个问题和大脑中的很多谜团一样,还没有确切的答案。


署名为“Alulull”的神经科学博士生在果壳网上撰文称,“针对这个问题,科学家们在过去提出了不少理论。有人推测在发育过程中,大脑胚胎通过某种生化机制预设了沟回的位置;另一些人则认为,大脑白质当中的神经纤维充当了‘牵引绳’,神经连接丰富的皮层被收得更紧,中间区域就在周围的挤压之下拱了起来。”


早在2007年4月,美国麻省理工学院和哈佛医学院等机构的科学家获取了11名不同年龄婴幼儿的核磁共振头部图像,利用先进的图像处理和人工智能技术对其进行分析,建立了大脑皮层沟回发育的定量模型。利用这些模型,可以精确地测量不同尺度的大脑沟回的发育时间和速度。最终,发现大尺度的沟回比小尺度的沟回发育得早,也更慢。


为了弄清大脑中沟回形成的过程,研究者们进行了多种尝试,包括在有机溶液中“泡发大脑”,并用计算机建模进行模拟。


果壳网的文章称,研究者对此前的实验研究进行了总结,认为包括大脑胚胎初始形状、组织的性质以及生长速度在内的因素在很大程度上决定了大脑沟回的生长,而每个人大脑沟回形状上的差异也可以从这些因素中寻找原因。过去已有实验表明,一些影响大脑体积和皮层厚度的基因变异会导致皮层结构的异常发育,而他们的大脑发育模型或许就能从生物物理学的角度为这些疾病提供解释。


“从这个研究来看,大脑沟回的形成似乎是一个单纯的物理过程,不过研究者也指出,不排除分子生物学层面的机制也在其中发挥着作用。”


 


在大脑发育过程中,主要的沟回是在妊娠中迅速成长并在婴儿出生时完全成型,随着进一步发育,大脑沟回的形状和深度也会发生相对变化直至成年


大脑中的沟回是一部分大型哺乳动物的独有特征。从演化的过程来看,大脑沟回起着重要的意义,它可以让我们在体积有限的颅腔里装下足够大的皮层,同时也使得信息的传导变得更有效率。


在大脑发育过程中,主要的沟回是在妊娠中迅速成长并在婴儿出生时完全成型。随着大脑在婴幼儿期间的进一步发育,大脑沟回的形状和深度也会发生相对变化直至成年。


首都医科大学三博脑科医院吴斌教授接受科技日报采访时说:“大脑皮层是形成人类思维能力的重要部位,皮层表面积越大,思维能力也就越强,这是人类大脑进化的方向。”


华盛顿大学科学家为比较人类和黑猩猩大脑发育的遗传学差异,对218个人和206个黑猩猩大脑进行了磁共振成像扫描。


研究人员已经获得了黑猩猩的详细家庭树,能够对遗传相关个体比较大脑的相似性。同样,对包括双胞胎和遗传背景相关性的人类大脑核磁共振扫描也进行了类似分析。研究测量了大脑体积和沟形状位置等信息,比较这些大脑皮层结构的差异。


在大脑体积上,不同家庭成员之间没有明显差别,但大脑沟回存在明显差异。更重要的是,人类沟回差异的变异程度显著超过黑猩猩。黑猩猩兄弟之间的大脑沟回几乎一样,但人类兄弟之间的大脑沟回相差悬殊。这说明黑猩猩在出生后大脑的发育出现的变化不如人类那么明显,可能是人类更聪明的原因。


 


有沟回才会形成褶皱,沟回会容纳更多的大脑皮层,大脑皮层就会容纳更多的神经元,从而有助于从事更高级的智力活动


有研究表明,脑表面的复杂程度与大脑皮层厚度的关系有着密切的联系,沟回的复杂度的变化程度至少有一半可以由皮层厚度来决定。同时,这种复杂程度也是与智商、受教育程度的高低是相关的。


人的大脑沟回是比较特别的,越是高等哺乳动物,沟回就会越明显。有沟回才会形成褶皱,沟回会容纳更多的大脑皮层,大脑皮层就会容纳更多的神经元,从而有助于从事更高级的智力活动。


在高等动物的世界里,尤其是它们中的大型种类,沟回的数目非常多,沟回的结构也相应地变得复杂起来。像海豚、猿猴及人的大脑表面都出现了迷宫路径般的迂回褶皱。类人猿的大脑沟回已经在细节上与人的大脑沟回相差无几了。


但人类中也会出现大脑没有沟回的个例,医学研究表明,一些大脑缺少沟回或是沟回比较少的原因是一类名为无脑回畸形的罕见畸形病症,胚胎发育时期的不正常神经元迁移是造成这种疾病的原因。患有无脑回畸形病症,但是无脑回面积不大的病人,经常会感觉吞咽困难、肌肉痉挛而且学习困难,患有该种疾病的人大多死在十岁之前。


 


有研究者试图从脑结构的差异中寻找“女性大脑不如男性发达”的根据,目前在解剖学上尚未有定论


有研究者试图从脑结构的性别差异中寻找“女性大脑不如男性发达”的根据。他们认为男性大脑的沟回比女性大脑的沟回多,所以女性智力不如男性。真是这样吗?吴斌教授说:“对于男人脑回比女人的脑回多并没有明确的解剖学证据。”要从男女两性大脑沟回的比较中得出男女两性智力的差异,目前在解剖学上尚未有定论。


爱因斯坦逝世后,医学界对他的大脑进行了精细的解剖,但并没有发现他的大脑在沟回结构上与女人有明显区别。有些人用大脑沟回来臆断女性与男性在智力水平上的差别,显然是没有科学依据的。


之前,一些研究小组在对大脑分析中发现,女性大脑的表层有更多的沟回和褶皱。按照科学家的看法,这些突出的沟回是人类进化过程的产物。德国法兰克福大学的研究人员艾伦?路德斯曾解释过为何男性和女性在特定才智方面的表现有所不同的问题,尽管女性大脑的体积略小,但女性拥有与男性同样的能力,而这可能归因于女性大脑表面皮层比男性更发达。


 


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