Creierul printat 3D ar putea elucida unul dintre cele mai mari mistere

Prin printarea 3D a unui creier fals din gel şi monitorizarea „creşterii” acestuia, oamenii de ştiinţă de la Universitatea Harvard au descoperit modul în care cortexul uman îşi dezvoltă circumvoluţiunile.

Descoperirea a fost publicată în revista Nature Physics și ar putea elucida misterul legat de structura materiei noastre cenuşii. Ar putea, de asemenea, ajuta chiar la înţelegerea anumitor tulburări care pot fi legate de cadrul de pliere sau cel debordant al creierului. Cercetătorii „au furnizat prima dovadă experimentală a teoriei creşterii diferenţiale şi au demonstrat că şi forţele fizice, nu doar procesele biochimice, joacă un rol critic în dezvoltarea neuronală.

Descoperirile lor ar putea avea rezultate importante pentru diagnosticarea clinică, tratarea şi prevenirea a varii tulburări neurologice”, a declarat Ellen Kuhl, de la Universitatea Stanford, care nu a fost implicată în studiu. Când ne referim la creier, vorbim despre circumvoluţiuni, acele cute (alungite şi sinuoase) de pe suprafaţa exterioară a creierului, mărginite de şanţuri. Dar nu toate speciile au creiere dotate cu aceste cute. Spre exemplu şobolanii au creiere netede de culoare roz. La fetuşii umani nu se începe dezvoltarea acestor cute până la a 23-a săptămână în uterul mamei.

Oamenii de ştiinţă au constatat că această structură plină de ”falduri” a creierului are, de fapt, unele beneficii majore: permite realizarea mai multor conexiuni în cortex (stratul de la suprafaţa creierului nostru, care este format din „materie cenuşie”). „Fiecare neuron cortical este conectat cu 7.000 de alţi neuroni, care rezultă în 0,15 de cvadrilioane de conexiuni şi mai mult de 150.000 de km de fibre nervoase”, a explicat Ellen Kuhl pentru LA Times.

Desigur, oamenii de știință au vrut să afle ce anume duce la dezvoltarea acestor cute. Mulţi cercetători au încercat să identifice procesele celulare sau biochimice, dar Lakshminarayanan Mahadevan, un fizician şi matematician de la Universitatea Harvard, a decis să studieze fizica structurii de unul singur şi a dezvoltat un model matematic al comportamentului său. „Am de mult timp un interes în încercarea de a înţelege modul în care organismul sau organismele animale se organizează. Aşa că am abordat aceste probleme dintr-o perspectivă matematică”, a declarat Mahadevan. ”O parte a acestei probleme este că nici o modalitate nu pare bună pentru a răspunde la această întrebare. Experimentele cu creierul uman pot fi din punct de vedere etic problematice, iar experimentele cu şobolanii sau alte animale mici nu ar funcţiona, întrucât creierele lor sunt netede. De obicei, un experiment cu un material fără viaţă nu ar arăta cum dezvoltă creierul aceste cute, fiindcă ţesutul mort pur şi simplu nu creşte”, a declarat Ellen Kuhl.

Pentru a realiza acest experiment, oamenii de ştiinţă au construit un model fizic care a rezolvat ultima problemă cu utilizare inteligentă a materialelor. Ei au folosit imaginile colectate prin rezonanţă magnetică de la un creier fetal de 22 de săptămâni de gestaţie şi o imprimantă 3D pentru a ”produce” un creier fals din gel. Aceasta a fost „materia albă” a creierului, pe care au acoperit-o cu un strat subţire de gel cauciucat pentru a imita stratul de „materie cenuşie”, sau ţesutul cortical.

Cercetătorii au scufundat apoi creierul într-un solvent lichid care a stimulat creșterea acelui strat elastic al cortexului. Cutele cerebrale au început să apară pe suprafaţa netedă. Aparent s-a întâmplat acest lucru: ţesutul cortical tinde să-şi păstreze creşterea, dar este ancorat la proprietatea limitată a materiei albe ce se află dedesubt. Pe măsură ce cortextul se extinde, presiunea face ca ţesutul să se prăbuşească în cele din urmă, ceea ce duce la formarea girusurilor cerebrale şi şanţurilor care acoperă suprafaţa creierului.

„În cele din urmă, toate acestea sunt legate. Dacă mă gândesc la forma girusurilor dintr-un creier fetal atunci da, există procese moleculare. Există, însă, şi procese biochimice care determină celulele să se mişte, să se dividă, să-şi schimbe forma şi să sufere modificări numerice”, a declarat Lakshminarayanan Mahadevan. „Efectuarea acestor conexiuni ne poate ajuta să identificăm indicatorii topologici pentru diagnosticarea precoce a autismului, schizofreniei sau bolii Alzheimer, şi, în cele din urmă, de creare a strategiilor mai eficiente de tratament”, afirmă Ellen Kuhl.