«Что общего между мозгом и скомканным листом бумаги»

Как известно, все гениальное – просто. Так получилось и со сложнейшей задачей нейрофизиологии о развитии складчатости коры головного мозга. После долгих лет исследования ученым, наконец-то, удалось создать математическую модель складчатости, которая удивительным образом совпала с моделью смятого листа бумаги.

Что общего между мозгом и скомканным листом офисной бумаги? Параллелей не так уж и много, но скомканная в шарик бумага помогла решить одну из самых интригующих задач о развитии человеческого мозга. Как оказалось, мозг млекопитающих развивается подобно скомканному листу бумаги, что описывается одной математической функцией.

«Это поистине блестящее исследование, которое позволило осуществить значительный прогресс в понимании учеными того, как развивается мозг», - рассказывает нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско Арнольд Кригштейн. Исследование также проливает свет на механизмы, лежащие в основе некоторых структурных нарушений головного мозга, и может помочь в будущем в создании специфической терапии для  облегчения симптомов этих заболеваний.

Кора головного мозга человека представляет собой сложный морщинистый ландшафт со своими «хребтами», называемыми извилинами и «долинами», называемыми бороздами. Существует явное преимущество такой кортикальной складчатости. Наличие более тонкой, сложной коры означает, что передача информации из одной точки в другую охватывает меньшее расстояние и может происходить гораздо быстрее.

Как известно, извилины и борозды возникают у людей во время третьего триместра беременности. В то же время долгое время оставалось загадкой, какие именно силы, стоят за их образованием. По словам невролога и Федерального университета Рио-де-Жанейро Сузанны Херкулано-Сузель, в течение долгого времени господствовали два объяснения касательно механизмов образования складчатой структуры коры головного мозга, но они были взаимоисключающими.

Первая гипотеза заключалась в том, что чем крупнее мозг, тем более сложной и складчатой будет его кора. Однако данная гипотеза так и не смогла объяснить особенностей строения мозгов у некоторых животных, например, у ламантинов. Несмотря на то, что мозг ламантина имеет практически такой же размер, как и у бабуина, последний имеет высокую степень складчатости, в то время как мозг ламантинов почти полностью гладкий. Китообразные также оказались проблемой для данной гипотезы. Например, мозг дельфина гораздо более гладкий, чем мозг человека, несмотря на то, что мозг дельфина и человека почти одинаковы по размеру.

Вторая гипотеза заключалась в том, что складчатость мозга объясняется увеличением числа нейронов. То есть, это ничто иное как способ обеспечить этот рост числе нейронов, что необходимо для развития высшей нервной деятельности. Франц Галл, ученый-нейрофизиолог, еще в 19 веке предположил, что мозг сложен таким образом, чтобы более крупная поверхность коры уместилась внутри пространства черепа. Альтернативная теория предполагает, что кора мозга расширялась, как воздушный шар, что в итоге и привело к такой складчатости. Естественно, и у этой гипотезы есть множество противоречий. Так, кора мозга человека имеет в три раза больше нейронов, чем кора мозга слона, однако масса человеческого мозга в 2 раза меньше слоновой. У бабуинов и свиней примерно одинаковый уровень складчатости мозга, в то время, как у бабуинов почти в 10 раз больше нейронов, чем у свиней. Эти противоречия, по-видимому, свидетельствуют о том, что разные виды животных обладают разными механизмами контроля складчатости коры головного мозга. Другими словами, каждый вид имеет свой способ контроля развития коры головного мозга.

Для моделирования складчатости мозга ученые построили степенную функцию, полученную из произведения поверхности коры и квадратного корня толщины коры. Когда один из ученых взглянул на график, то воскликнул: «Это же лист бумаги!». Исследователи заметили, что та же самая модель, которая предсказывала степень складчатости мозга, также объясняет и складчатость бумажных листов. Чтобы проверить эту теорию, исследователи просто провели линейные измерения смятых листов бумаги.

Этот простейший эксперимент вы можете провести у себя дома. Скомкайте лист бумаги и положите его на стол. Вы увидите, как скомканный шарик немного расширяется, поскольку освобождает определенное количество энергии. Однако, в конце концов, он принимает окончательную скомканную форму, которая является наиболее выгодной с энергетической точки зрения после того, как вы приложили силу для того, чтобы скомкать его. Эта последняя конформация является новым состоянием шарика. В нем минимальное количество эффективной свободной энергии. Это состояние, в котором шарик наиболее устойчив. Даже в условиях, когда на скомканный лист бумаги не действуют внешние силы, он все же сохраняет форму шарика. Как мятая бумага, сложенный мозг не будет менять своего состояния. Так, можно вынуть мозг из черепа животного, бросить его или даже нарезать на куски, но все равно он останется складчатым.

Как известно, более плотная бумага приводит к меньшему количеству складок при ее сжатии. Та же парадигма справедлива и для мозга. Возьмите три листа бумаги и скомкайте их как один лист. Этот шар будет гораздо крупнее из-за дополнительного веса материала. Аналогично, более толстая кора головного мозга складывается меньше и оформляется в поверхность с меньшим числом изгибов (извилин и бороздок). Модель мятой бумаги также показывает, что большая площадь поверхности привела к большему сворачиванию. Результаты показывают, что по мере роста развивающегося мозга толщина и площадь поверхности ткани, а также время влияют на то, как кора головного мозга складывается.

Силы, действующие на бумагу, исходят из усилий руки человека, в то время как силы, приложенные к коре головного мозга, возникают из нескольких источников. Например, снаружи действует атмосферное давление, что влияет на спинномозговую жидкость. Существует также давление, которое оказывается клетками, формирующими мозг. Эта комбинация сил, а также толщина и площадь поверхности заставляют кору головного мозга изгибаться в характерные складки.

Исследование мятой бумаги дает некоторое представление о том, каким образом в мозге происходят те или иные нарушения. Например, лиссэнцефалия, представляющая собой сглаживание коры головного мозга, без каких-либо бороздок или складок. Исследователи пришли к выводу, что это расстройство возникает из-за нарушения миграции нейронов в головном мозге. Отсутствие складчатости при такой аномалии объясняется тем, что кора головного мозга в данном случае почти в 4-5 раз толще нормальной.