Das menschliche Gehirn wurde als das bezeichnet komplexestes Objekt im bekannten Universum . Und das aus gutem Grund: Es verfügt über rund 86 Milliarden Neuronen und mehrere Hunderttausend Kilometer Axonfasern, die sie verbinden.
Es überrascht nicht, dass der Prozess von Gehirnfaltung Die Entstehung der charakteristischen Beulen und Rillen im Gehirn ist ebenfalls äußerst komplex. Trotz jahrzehntelanger Spekulation und Forschung ist der diesem Prozess zugrunde liegende Mechanismus immer noch kaum verstanden.
Als Biomechanik Und Informatik Als Forscher haben wir mehrere Jahre damit verbracht, die Mechanismen der Gehirnfaltung und Möglichkeiten zur Visualisierung bzw. Kartierung des Gehirns zu untersuchen.
Das Erkennen dieser Komplexität kann Forschern helfen, Entwicklungsstörungen des Gehirns wie Lissenzephalie oder glattes Gehirn und Epilepsie besser zu diagnostizieren und zu behandeln.
Weil viele neurologische Störungen Wenn Menschen in frühen Entwicklungsstadien auftauchen, kann das Verständnis der Funktionsweise der Gehirnfaltung nützliche Einblicke in die normale und pathologische Gehirnfunktion liefern.
Die Mechanismen der Gehirnfaltung
Das Gehirn besteht aus zwei Schichten . Die äußere Schicht, die sogenannte Großhirnrinde, besteht aus gefalteter grauer Substanz, die aus kleinen Blutgefäßen und den kugelförmigen Zellkörpern von Milliarden von Neuronen besteht. Die innere Schicht besteht aus weißer Substanz, die hauptsächlich aus den verlängerten Schwänzen der Neuronen, den sogenannten myelinisierten Axonen, besteht.
Das haben Forscher in den letzten Jahren gezeigt Mechanik oder die Kräfte, die Objekte aufeinander ausüben, spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum und der Faltung des Gehirns.
Zu den verschiedenen Hypothesen, die Wissenschaftler vorgeschlagen haben, um zu erklären, wie die Faltung des Gehirns funktioniert, gehört: differentielles tangentiales Wachstum wird am häufigsten akzeptiert, da es von gut unterstützt wird experimentelle Beobachtungen .
Diese Theorie geht davon aus, dass die äußere Schicht des Gehirns aufgrund der Art und Weise, wie sich Neuronen während der Entwicklung vermehren und wandern, schneller wächst als die innere Schicht.
Dieses Missverhältnis der Wachstumsraten übt zunehmende Druckkräfte auf die äußere Schicht aus, was zu einer allgemeinen Instabilität der wachsenden Gehirnstruktur führt. Durch das Falten dieser Schichten wird diese Instabilität jedoch aufgehoben.
Um diese Theorie besser zu erklären, machte Jalil eine mechanisches Modell des Gehirns, der der äußeren Schicht eine größere Wachstumsrate zuordnete als der inneren Schicht. Wie erwartet führte dieses Missverhältnis der Wachstumsraten dazu, dass die innere Schicht die Ausbreitung der äußeren Schicht blockierte.
Da sich die äußere Schicht aufgrund dieser Blockade nicht weiter ausdehnen kann, muss sie sich innerhalb der inneren Schicht falten und einknicken, um eine stabilere Struktur zu erreichen.
Eine weitere Studie Die Verwendung eines 3D-gedruckten Hydrogel-Gehirnmodells zeigte außerdem, dass ein Missverhältnis der Wachstumsraten zu einer Faltung führt.
Dieses Knicken geschieht, weil durch Falten das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Gehirns maximiert wird, also die Menge an Oberfläche, die das Gehirn im Verhältnis zu seiner Größe hat. Ein höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ermöglicht es dem Gehirn, mehr Neuronen in einem bestimmten Raum unterzubringen und gleichzeitig den relativen Abstand zwischen ihnen zu verringern.
Das hat auch Jalils Forschungsteam herausgefunden andere mechanische Faktoren beeinflussen auch die letztendliche Form, die ein sich entwickelndes Gehirn annehmen wird, einschließlich der anfänglichen Dicke der äußeren Gehirnschicht und der Steifheit der beiden Schichten im Verhältnis zueinander.
In jüngerer Zeit haben unsere Simulationsstudien gezeigt, dass Axone, der Teil des Neurons, der bei der Übertragung elektrischer Signale hilft, eine Rolle dabei spielen Regulierung des Faltungsprozesses des Gehirns .
Unser Modell zeigte, dass sich in Bereichen mit einer hohen Anzahl an Axonen Hirnkämme bildeten, während sich in Bereichen mit geringer Axondichte Täler bildeten. Wir haben diese Ergebnisse mit Neuroimaging und Gewebeproben aus echten menschlichen Gehirnen bestätigt.
Dies unterstreicht die Bedeutung, die die Axondichte für die Gehirnentwicklung spielt, und kann Aufschluss über die Ursachen solcher Erkrankungen geben Autismus Und Schizophrenie die eine unregelmäßige Gehirnstruktur und Konnektivität aufweisen.
Wir beide sind jetzt dabei Entwicklung ausgefeilterer Modelle des Gehirns Basierend auf Neuroimaging realer Gehirne, die eine noch detailliertere Simulation der Gehirnentwicklung ermöglichen.
Die Mechanismen von Hirnstörungen
Unsere Gehirnmodelle liefern eine mögliche Erklärung dafür, warum sich Gehirne während der Entwicklung abnormal entwickeln können, und verdeutlichen die wichtige Rolle, die die Struktur des Gehirns für seine ordnungsgemäße Funktion spielt.
Gehirne mit abnormalen Faltmustern können verheerende Folgen haben.
Beispielsweise bildet ein Gehirnmodell mit einer dickeren Außenschicht als üblich weniger und größere Grate und Täler als eines mit normaler Dicke. Im Extremfall kann dies zu einem sogenannten Zustand führen Lissenzephalie oder glattes Gehirn, das keine Gehirnfalten aufweist.
Viele Kinder mit dieser Erkrankung weisen eine schwere Entwicklungsverzögerung auf und sterben vor dem 10. Lebensjahr.
Andererseits, Polymikrogyrie hat eine dünnere Außenschicht als üblich und führt zu einer übermäßigen Faltung. Dieser Zustand wurde auch wiederholt mechanische Modellierung . Menschen mit dieser Erkrankung können leichte bis schwere neurologische Probleme haben, darunter Krampfanfälle, Lähmungen und Entwicklungsverzögerungen.
Wissenschaftler haben auch abnormale Faltmuster bei Gehirnerkrankungen wie z Schizophrenie Und Epilepsie .
Nächste Schritte in der Gehirnmechanik
Das Verständnis der Mechanismen hinter der Faltung und Konnektivität des Gehirns wird Forschern die Wissensgrundlage liefern, um ihre Rolle bei Entwicklungsstörungen des Gehirns aufzudecken.
Langfristig könnte die Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Gehirnstruktur und -funktion zu Ergebnissen führen Frühdiagnosetools für Hirnerkrankungen .
In der Zukunft, künstliche Intelligenz könnte möglicherweise noch mehr Einblicke in das normale Wachstum und die normale Faltung des menschlichen Gehirns geben.
Aber trotz all dieser Fortschritte in der Neurowissenschaft haben Forscher wie wir noch viel Arbeit vor sich, wenn wir weiterhin versuchen, das Geheimnis der komplexesten bekannten Struktur im Universum zu entschlüsseln. 
Mir Jalil Razavi , Assistenzprofessor für Maschinenbau, Binghamton University, State University of New York Und Weiying Dai , Assistenzprofessor für Informatik, Binghamton University, State University of New York .
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