科学家们已经确切地发现了人脑在子宫内如何获得其褶皱、皱纹的外观。
事实证明，大脑外层（称为皮层）中脑细胞数量的巨大爆炸式增长迫使该层膨胀，然后自身塌陷，形成那些特征性的褶皱。这种皮质折纸——也在少数其他聪明的物种（如海豚和一些灵长类动物）中进化出来——可能是大自然解决紧密堆积问题的方法。
“这种简单的进化创新，通过迭代和变异，允许将大型皮层压缩到小体积中，并且很可能是大脑折叠（称为脑回化）背后的主要原因，”研究合著者、哈佛大学应用数学家 L. Mahadevan 说。[视频：观看容器中的大脑如何产生其标志性皱纹]
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堆满了脑细胞
人脑的外表面是由弯曲的凸起和裂缝组成的大量物质，称为脑回和脑沟，全部由灰质构成。灰质下方是白质，即在脑和身体其他部位之间发送和接收信号的神经纤维束。科学家们长期以来一直怀疑，这种皱纹状的大脑表面进化是为了将更多的脑细胞或神经元挤压到相对较小的大脑空间中。
但是，大脑究竟是如何折叠的仍然更加神秘。Mahadevan 和他的同事们预感，大脑组织的简单机械特性有助于产生这种效果。灰质在其底部附着在白质上，两者都具有相似的刚度。但在皮质扩张期间，灰质生长得更快，即使它仍然在机械上与白质结合。在 2014 年的一项研究中，研究人员表明，来自挤压神经元的压力导致屈曲，迫使组织自身塌陷，形成那些特征性的褶皱。他推断，仅两个参数——大脑的生长速率和大脑的大小——就可以帮助解释出现的折叠模式类型。该团队还使用两个简单的脑半球制作了一个模型。
在新的研究中，研究人员决定在更准确地反映人脑解剖结构的凝胶复制品中测试他们的理论。在子宫中，胎儿的大脑最初是光滑的，但在妊娠 14 周至 26 周之间，胎儿的大脑从一个脑区到下一个脑区以可预测的顺序折叠和弯曲，《妇产科超声杂志》1997 年的一项研究发现。
为了重现这个过程，该团队收集了胎儿大脑的磁共振成像 (MRI) 图像，并使用这些图像制作了发育中人脑的解剖学上精确的凝胶重建模型。
该团队在模拟大脑的外层涂上了一层有弹性的弹性体凝胶，以模拟皮质层。他们将这个胎儿大脑复制品放入溶剂容器中。
大脑迅速吸收了溶剂，其外层比内层膨胀得更快。这种不均匀的膨胀导致了压缩和屈曲，并在几分钟内，该团队再现了大脑的脑回和脑沟。更重要的是，形成模式与真实大脑中发现的模式惊人地相似，研究人员今天（2 月 1 日）在《自然物理》杂志上报道。
“当我把模型放入溶剂中时，我知道应该会发生折叠，但我从没想过会与人脑相比有如此接近的模式，”研究合著者、哈佛大学工程与应用科学学院的研究员 Jun Young Chung 说。“它看起来像一个真正的大脑。”
有趣的是，该团队还表明，最大褶皱的大小、形状和方向是高度可靠的，无论将复制大脑放入溶剂中多少次，其褶皱方式都相同。较小的皱纹似乎是独一无二的，在每次实验中折叠方式都不同。这模仿了人脑中的模式，其中最大的折叠模式在健康人中是一致的，但每个人都有独特的细小皱纹模式。
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