Блог

Apr 06, 2024

Механическая иерархия в формировании и модуляции паттернов корковых складок.

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 13177 (2023) Цитировать эту статью 380 Доступ 1 Подробности о альтметрических метриках Важные механические параметры и их иерархия при росте и складывании

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13177 (2023) Цитировать эту статью

380 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Важные механические параметры и их иерархия в росте и складывании человеческого мозга до конца не изучены. В этом исследовании мы разработали многомасштабную механическую модель, чтобы изучить, как взаимодействие между первоначальными геометрическими волнами, дифференциальным тангенциальным ростом кортикальной пластинки и аксональными связями формируются и регулируют паттерны складывания человеческого мозга в иерархическом порядке. Для этого были разработаны, статистически проанализированы и подтверждены наблюдениями за визуализацией различные сценарии роста с использованием двухслойных сферических моделей, которые характеризуются начальными волнообразными формами коры головного мозга и равномерным или гетерогенным распределением аксональных волокон в белом веществе. Результаты показали, что дифференциальный тангенциальный рост является индуктором кортикальной складчатости, а в иерархическом порядке высокоамплитудные начальные волнистости на поверхности и аксональных волокнах в субстрате регулируют структуру складок и определяют расположение извилин и борозд. Места с плотными аксональными волокнами после сворачивания располагаются в извилинах, а не в бороздах. Статистические результаты также показали, что существует сильная корреляция между расположением положительных (наружных) и отрицательных (внутренних) начальных волнистостей и расположением извилин и борозд после складывания соответственно. Кроме того, расположение 3-шарнирных извилиновых складок сильно коррелирует с начальными положительными волнами и расположением плотных аксональных волокон. В качестве еще одного открытия было обнаружено, что существует корреляция между плотностью аксональных волокон и индексом локального гирификации, которая наблюдалась в исследованиях изображений, но еще не получила фундаментального объяснения. Это исследование является первым шагом в понимании связи между аномальным гирификацией (морфологией поверхности) и нарушением связей, которое наблюдается при некоторых заболеваниях головного мозга, таких как расстройство аутистического спектра. Более того, результаты исследования напрямую способствуют концепции регулярности и изменчивости моделей сворачивания в мозге отдельных людей.

На протяжении всего развития человеческого мозга первоначально небольшой мозг с гладкой поверхностью претерпевает трансформацию, известную как складчатость коры. Во время этой трансформации мозг испытывает объемное расширение с последующим образованием извилин (выпуклых складок) и борозд (вогнутых складок) на кортикальной поверхности1,2. Эти складки обычно подразделяют на одну из трех категорий: первичные, вторичные или третичные складки. Первичные складки формируются первыми и являются самыми большими и глубокими. Вторичные и третичные складки развиваются вскоре после разделения первичных складок3,4. Исследования показали, что с точки зрения их расположения первичные складки относительно одинаковы у особей одного и того же вида, тогда как вторичные и третичные складки сильно различаются3,5. Эти складки существенно влияют на функцию мозга; аномалии кортикальных складок связаны с когнитивными нарушениями, а также расстройствами нервного развития и психическими расстройствами, такими как расстройства аутистического спектра (РАС), эпилепсия и шизофрения6,7. Кора головного мозга, внешний слой мозга, также называемый серым веществом, состоит из тел клеток и капилляров. Белое вещество, или подкорка, представляет собой сложную систему аксональных волокон, которые действуют как связи между различными областями мозга. Эти волокна можно отнести к одной из трех категорий8,9,10: проекционные, комиссуральные или ассоциативные волокна. Проекционные волокна идут радиально от подкорковых областей к коре. Комиссуральные волокна соединяют два полушария мозга посредством комиссур. Ассоциативные волокна соединяют разные области, расположенные в одном полушарии2. Расположение и ориентация этих волокон меняются на протяжении всего процесса развития, что привело к множеству исследований, изучавших взаимосвязь между ними и паттернами кортикальных складок2,11,12,13,14,15,16. Первоначально предполагалось, что аксональные волокна натягивают кору и таким образом вызывают кортикальную складчатость17,18. Однако эта теория в значительной степени игнорировалась из-за противоречивых данных19. Фактически, складчатая кора тянет аксоны, вызывая удлинение аксонов и рост белого вещества, а не аксоны, тянущие мозг, чтобы вызвать складку коры14,20.