人类的大脑被称为已知宇宙中最复杂的物体。 这是有充分理由的：它有大约 860 亿个神经元和连接它们的数十万英里的轴突纤维。
不出所料，这个过程大脑折叠导致大脑特有的凹凸和凹槽的现象也非常复杂。 尽管进行了数十年的猜测和研究，但这一过程背后的基本机制仍然知之甚少。
作为生物力学和计算机科学研究人员，我们花了几年时间分别研究大脑折叠的机制以及可视化和绘制大脑的方法。
弄清楚这种复杂性可能有助于研究人员更好地诊断和治疗发育性脑部疾病，例如无脑畸形或平滑脑和癫痫。
因为很多神经系统疾病出现在发育的早期阶段，了解大脑折叠的工作原理可以为正常和病理性大脑功能提供有用的见解。
大脑折叠的机制
大脑是由两层。 外层称为大脑皮层，由折叠的灰质组成，灰质由小血管和数十亿个神经元的球形细胞体组成。 内层由白质组成，主要由神经元的细长尾部（称为有髓轴突）组成。
近年来，研究人员表明力学，或物体相互施加的力，在大脑的生长和折叠中发挥着重要作用。
在科学家提出的几个解释大脑折叠如何运作的假设中，微分切向生长是最普遍接受的，因为它得到了很好的支持实验观察。
该理论假设，由于神经元在发育过程中如何增殖和迁移，大脑外层的生长速度比内层更快。
这种生长速度的不匹配会给外层带来越来越大的压力，导致生长中的大脑结构整体不稳定。 然而，折叠这些层可以释放这种不稳定性。
为了更好地解释这个理论，贾利勒做了一个机械模型外层的生长速度比内层的生长速度快。 正如预期的那样，这种生长速率的不匹配导致内层阻止外层扩散。
由于这种堵塞，外层无法进一步膨胀，因此它必须在内层内部折叠和弯曲，以达到更稳定的结构。
另一项研究使用 3D 打印水凝胶大脑模型还表明，生长速率不匹配会导致大脑折叠。
发生这种弯曲是因为折叠最大化了大脑的表面积与体积之比，或者说大脑相对于其大小的表面积。 较高的表面积与体积比允许大脑在给定空间内容纳更多神经元，同时减少它们之间的相对距离。
贾利勒的研究小组还发现其他机械因素也会影响发育中的大脑的最终形状，包括大脑的初始外层厚度以及两层相对的硬度。
最近，我们的模拟研究表明，轴突（神经元中帮助其传输电信号的部分）在调节大脑的折叠过程。
我们的模型表明，脑脊形成于轴突数量较多的区域，而谷则形成于轴突密度较低的区域。 我们通过神经影像学和来自真实人脑的组织样本证实了这些发现。
这强调了轴突密度在大脑发育中的重要性，并可能说明以下情况的起源：自闭症和精神分裂症具有不规则的大脑结构和连接性。
我们俩现在都在这个过程中开发更复杂的大脑模型基于真实大脑的神经成像，这将提供更详细的大脑发育模拟。
脑部疾病的机制
我们的大脑模型为大脑在发育过程中形成异常的原因提供了潜在的解释，强调了大脑结构在其正常功能中发挥的重要作用。
具有异常折叠模式的大脑可能会导致灾难性的后果。
例如，具有比通常外层更厚的大脑模型比具有正常厚度的大脑模型形成更少且更大的脊和谷。 在极端情况下，这可能会导致一种称为无脑畸形，或光滑的大脑，完全没有大脑褶皱。
许多患有这种疾病的儿童发育严重迟缓，并在 10 岁之前死亡。
另一方面，多小脑回外层比普通外层薄，导致过度折叠。 这种情况也被复制了机械建模。 患有这种疾病的人可能会出现轻微到严重的神经系统问题，包括癫痫、瘫痪和发育迟缓。
科学家们还发现了大脑疾病中的异常折叠模式，例如精神分裂症和癫痫。
脑力学的下一步
了解大脑折叠和连接背后的机制将为研究人员提供知识基础，以揭示其在发育性大脑疾病中的作用。
从长远来看，澄清大脑结构和功能之间的联系可能会导致脑部疾病的早期诊断工具。
将来，人工智能也许能够更深入地了解人脑的正常生长和折叠。
但即使神经科学取得了所有这些进步，当我们继续尝试破译宇宙中最复杂的已知结构之谜时，像我们这样的研究人员仍然面临着艰巨的任务。
米尔·贾利勒·拉扎维，机械工程助理教授，宾汉姆顿大学、纽约州立大学和Weiying Dai，计算机科学助理教授，宾汉姆顿大学、纽约州立大学。
