科學(xué)家正在研究大腦是如何形成的

紐約州賓漢頓市——許多謎團(tuán)繼續(xù)圍繞著人類大腦，但其中最重要的是它是如何形成的，以及最初的幾周如何影響一個(gè)人的余生。

賓厄姆頓大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院即將進(jìn)行的研究將使用計(jì)算機(jī)建模和胎兒大腦發(fā)育的高級(jí)成像來(lái)嘗試回答一些長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的生物力學(xué)和機(jī)械生物學(xué)計(jì)劃最近批準(zhǔn)了 587,853 美元的贈(zèng)款，以更好地了解使每個(gè)人的大腦獨(dú)一無(wú)二的生長(zhǎng)和折疊。

領(lǐng)導(dǎo)該研究會(huì)副米爾賈利勒Razavi的教授從工程的托馬斯·J·沃森學(xué)院和應(yīng)用科學(xué)的機(jī)械工程系。合作的主要研究者將是助理張維迎教授戴從沃森的計(jì)算機(jī)科學(xué)系，擁有哈佛大學(xué)副教授阿里Gholipour教授作為研究的合作伙伴。

Razavi 于 2014 年在佐治亞大學(xué)獲得博士學(xué)位時(shí)首次對(duì)大腦研究感興趣。他的導(dǎo)師致力于分子動(dòng)力學(xué)建模以預(yù)測(cè)原子和分子的物理運(yùn)動(dòng)，但希望通過(guò)研究軟組織的機(jī)械建模來(lái)擴(kuò)展。

“軟生物組織的一個(gè)重要主題是大腦，”拉扎維說(shuō)。“對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，我們的大腦如何在妊娠 22 至 25 周后從最平滑的狀態(tài)開(kāi)始是一個(gè)謎，但在幾周內(nèi)，表面積和體積以及大腦折疊都會(huì)擴(kuò)大。”

2018 年來(lái)到賓厄姆頓時(shí)，Razavi 專注于人體皮膚力學(xué)，與沃森學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系的Guy German 副教授一起進(jìn)行研究。

通過(guò)這個(gè) NSF 項(xiàng)目，他希望繪制大腦褶皺的形成，因?yàn)榭焖僭鲩L(zhǎng)的灰質(zhì)(進(jìn)行高級(jí)思考的外層)生長(zhǎng)在白質(zhì)(在不同灰質(zhì)區(qū)域之間進(jìn)行通信的內(nèi)層和灰質(zhì)和身體其他部分之間)。

人腦中有大約 1000 億個(gè)神經(jīng)元，信息通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的軸突纖維網(wǎng)絡(luò)傳輸，如果端到端連接，該網(wǎng)絡(luò)將從地球延伸到整個(gè) 239,000 英里。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的大部分硬接線發(fā)生在出生之前，因?yàn)椴粩嘣鲩L(zhǎng)的大腦形成褶皺，以隨機(jī)但重要的方式連接神經(jīng)元。

“從生物學(xué)的角度，我們不了解潛在的機(jī)制，但我們可以從機(jī)械的角度說(shuō)，我們之所以有褶皺，是因?yàn)槲覀冊(cè)诟鲗拥纳L(zhǎng)速度上不匹配，”拉扎維說(shuō)。“這不僅僅是關(guān)于大腦。如果我們有一個(gè)多層系統(tǒng)，外層比內(nèi)層生長(zhǎng)得更快，那么我們就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定和折疊。”

Gholipour — 哈佛醫(yī)學(xué)院轉(zhuǎn)化放射學(xué)研究主任 — 使用標(biāo)準(zhǔn)磁共振成像 (MRI) 和大腦特異性擴(kuò)散張量成像 (DTI) 對(duì) 25 周和 36 周時(shí)的 50 個(gè)胎兒進(jìn)行了掃描，該技術(shù)繪制了分子的擴(kuò)散過(guò)程細(xì)胞內(nèi)。

“Gholipour 教授和他的團(tuán)隊(duì)擁有最精確的胎兒大腦 MRI 和 DTI，”Razavi 說(shuō)。“要獲得這些圖像真的很困難，因?yàn)閼言械男再|(zhì)意味著胎兒在運(yùn)動(dòng)。人出生后，可以進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)。”

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