بنا به گفته گروهی بین‌المللی از پژوهش‌گران، چین و چروک‌‌های کاملاً مشخص مغز انسان در نتیجه در‌هم‌فشردگی مکانیکی است که در هنگام رشد و بزرگ شدن آن ایجاد می‌شود. پژوهش‌گران با استفاده از مدل ژلاتینی که به صورت سه بعدی پرینت گرفته شده، نشان دادند نیروهایی که در طول بزرگ شدن مغز تولید می‌شوند، می‌توانند شکل چین و چروک خورده مغز را به وجود آورند. این مدل مکانیکی اولین بار در سال 1975 پیشنهاد شد، اما آزمایش این مدل همواره دشوار بوده است.

چین‌خوردگی در مغز جنین: مغز کاملاً شکل‌گرفته انسان

مغز با چین‌خوردگی‌های بسیار زیاد تنها در گونه‌های اندکی از جانداران دیده شده است، مانند نخستی‌ها (شامل تمامی میمون‌ها و انسان‌ها)، دلفین‌ها، فیل‌ها و خوک‌ها. با گذشت زمان و تکامل علوم، دلیل چین خوردن مغز بسیار ساده به این صورت توضیح داده شده است: تعداد نورون‌هایی (یاخته‌های عصبی) که می‌توانند درون محیط فشرده شوند، به حداکثر مقدار خود می‌رسد و فاصله میان آن‌ها کاهش می‌یابد، که به این صورت کارکرد شناختی آن بهبود می‌یابد. در انسان‌ها، هنگامی که جنین حدود 23 هفته می‌شود، لایه بیرونی بافت مغز (ماده خاکستری یا همان «قشر مخ») شروع به چین خوردن می‌کند. این فرایند که قشر مخ حالت‌های ‌چین‌خوردگی خود را شکل می‌دهد، با عنوان «gyrification» یا «شکل‌گیری چین‌خوردگی‌ها» شناخته می‌شود، که تا دوران بزرگ‌سالی، که رشد مغز متوقف می‌شود، نیز ادامه می‌یابد. با توجه به این مطالب، حجم مغز حدود 20 برابر و اندازه سطح آن 30 برابر افزایش می‌یابد.

اریگامی (هنر کاغذ و تا) ماده خاکستری

با وجود آن که هدف از شکل‌گیری این چین‌خوردگی‌ها شناخته شده است، ساز و کار آن هنوز مجهول می‌باشد. تا پیش از این نظریه‌های بیوشیمیایی و مکانیکی زیادی برای توضیح این ساز و کار پیشنهاد شده است. پیشنهاد یکی از آنان این است که چین‌خوردگی‌ها ناشی از تنش‌های مکانیکی‌ به وجود آمده در نورون‌ها است، اما هیچ یک از این نظریات تاکنون اثبات نشده است. توماس تالینن از دانشگاه ییواسکیلا فنلاند، به همراه هم‌کارانش از فرانسه و آمریکا بر این باورند که محتمل‌ترین توضیح ساده‌ترین مورد است: قشر مخ سریع‌تر از بقیه قسمت‌های مغز رشد می‌کند، و این در حالی‌ است که ضخامت آن تنها اندکی تغییر می‌کند. بنابراین با افزایش مساحت سطح قشر مخ، به ناچار خود قشر مخ بدون تغییر می‌ماند.‌ این امر تنشی فشاری تولید می‌کند، که به نوبه خود موجب چین‌خوردگی قشر مغز می‌شود.

این گروه برای آزمایش این نظریه، قالبی سه‌بعدی از مغز چین‌نخورده جنین انسان 22 هفته‌ای را بر اساس تصاویر اسکن ام‌آرآی ساختند و از آن برای ساخت مدلی ژلاتینی از هسته مغز استفاده کردند، سپس آن را با لایه‌ای نازک از ژل الاستومری جاذب پوشاندند تا قشر مخ را شبیه‌سازی کنند. هنگامی که آن را در مایع حلالی غوطه‌ور کردند، لایه بیرونی مغز نسبت به هسته داخلی آن بیشتر متورم شد و وقتی نیروهای فشاری ایجاد شد، شروع به مچاله شدن کرد. تالینن به physicsworld.com گفت که «آن‌ها الگوهای چین‌خوردگی را مشاهده کرده‌اند که به صورت کیفی بسیار شبیه به الگوهای چین‌خوردگی در مغز جنین، در مراحل اولیه شکل‌گیری چین‌خوردگی بود».

هنگامی‌که رشد آن به پایان رسید، مدل شبیه به مغز جنینی 34‌-هفته‌ای شده بود. تالینن می‌گوید: «عامل اصلی که تعیین‌کننده اندازه و ظاهر کیفی چین‌خوردگی‌هاست، سفتی لایه بیرونی ماده خاکستری نسبت به زیرلایه ماده-سفید، و ضخامت لایه ماده خاکستری نسبت به اندازه مغز است». «نکته ظریف‌تر این است که چگونه چین‌خوردگی‌ها جهت‌گیری می‌کنند – هندسه سطح مغز جنین عامل تعیین‌کننده در جهت‌گیری غالب در چین‌خوردگی‌ها است».

جنس ماده سازنده مدل

کریستوفر کرونک از دانشگاه علوم و بهداشت اورگن در ایالت متحده، که در این پژوهش شرکت نداشت، می‌گوید شباهت‌های میان چین‌خوردگی‌ها نشان می‌دهد که «مشخصات مکانیکی این مدل شباهت‌های زیادی با مشخصات مکانیکی مغز انسان دارد» و «تطبیق محاسبات اجزای محدود و مشاهدات آزمایشگاهی قویاً از این موضوع دفاع می‌کند که درهم‌فشردگی مکانیکی نیروی محرک و مسبب این چین‌خوردگی‌ها در مدل است». اما وی افزود انجام آزمایش‌های بیشتری روی شباهت‌ها و تفاوت‌های میان ماده سازنده این مدل و بافت مغز جنین ارزشمند خواهد بود تا معلوم شود آیا در حقیقت درهم‌فشردگی مکانیکی مسبب چین‌خوردگی قشر مخ است یا خیر».

دیوید ون اسن از دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس، که اولین بار نظریه مبتنی بر تنش نورون‌ها را پیشنهاد داد، می‌گوید با وجود آن‌که این پژوهش «از ترکیب روشنی از مدل‌سازی فیزیکی و شبیه‌سازی‌های اجزای محدود استفاده می‌کند تا نشان دهد بسیاری از ویژگی‌های چین‌خوردگی‌ها در قشر مغز انسان می‌تواند از «مدل کمانش» کپی شود، ولی محدودیتی اساسی دارد. او توضیح داد «این فرض که ضخامت قشر در طول افزایش مماسی جرم ثابت می‌ماند، وقتی ساز و کاری وجود ندارد که عهده‌دار این رشد بسیار ناهم‌سانگرد باشد، به لحاظ بیولوژیکی غیرمحتمل است». او افزود ضخامت محدود قشر می‌تواند از طریق تنش مکانیکی میان نورون‌ها و هم‌چنین الگوهای مختلفی که در چین‌خوردگی‌های مغز دیده می‌شود، توضیح داده شود.

این پژوهش در نشریه Nature Physics چاپ شده است.

نویسنده: مایکل آلن نویسنده علمی بریستول، انگلستان

منبع: Physics of brain folding recreated in the lab

 مرجع: On the growth and form of cortical convolutions