Исследование выявило универсальную схему формы мозга млекопитающих
Исследователи разработали новый подход к описанию формы коры головного мозга и представили доказательства того, что кора у всех видов млекопитающих напоминает универсальный фрактальный узор.
Исследование, опубликованное в виде рецензируемого препринта в eLife и появляющееся сегодня в качестве пересмотренной версии, описывается редакторами как ценная основа для нашего понимания коры головного мозга как фрактальной формы. Они описывают силу доказательств как убедительную для универсального плана складчатости коры головного мозга млекопитающих.
При дальнейшем исследовании и подтверждении этот подход может быть использован для получения информации о развитии различных дегенеративных и врожденных невропатических состояний.
Кора головного мозга — это внешний слой мозга, который отвечает за такие сложные функции, как мышление, восприятие и принятие решений. Складчатость коры головного мозга, известная как гирификация, — это процесс, при котором на поверхности мозга образуются бороздки (борозды) и гребни (извилины). Эта складчатость увеличивает площадь поверхности мозга, что позволяет большему количеству нейронов и более сложной обработке информации. Кора головного мозга демонстрирует большое разнообразие форм и размеров как у разных видов, так и внутри них.
«Мы задались целью найти способ определить форму коры и выразить уникальность сложных форм и складок, из которых состоит каждая кора», — говорит ведущий автор Юйцзян Ван. «Можно посмотреть на изображение коры головного мозга и понять, что это такое. Но как мы можем отличить вашу кору от моей? Или как мы можем отличить кору головного мозга жирафа от коры головного мозга мартышки? Для этого требуется более выразительный способ описания формы коры».
Ван и коллеги начали с установления двух ключевых принципов. Во-первых, они знали, что кора не может просто принять какую-либо складчатую форму — кора представляет собой тонкие листы серого вещества, сложенные сложным образом вокруг белого вещества, и степень складчатости, которую они претерпевают, точно определяется толщиной и размером этого листа. Этот принцип называется универсальным масштабированием.
Затем они придумали способ «расплавить» кору головного мозга, удалив складки, которые были меньше определенного порога, что позволило им изучать оставшиеся складки по отдельности. Это раскрыло второй принцип: кора состоит из складок разных размеров, где маленькие складки напоминают свои большие складки — свойство, называемое самоподобием. Это напоминает фрактальное масштабирование, где сложная геометрическая форма демонстрирует замысловатые узоры, которые повторяются в прогрессивно меньших масштабах.
Затем команда объединила эти принципы универсального масштабирования и самоподобия для изучения коры головного мозга 11 различных видов приматов, включая людей, шимпанзе и мартышек. Это показало, что, несмотря на четкие визуальные различия между корой разных видов, все они следуют универсальному закону масштабирования и напоминают одну и ту же фрактальную форму. Таким образом, если взять самую сложную изученную кору, человеческую, и использовать процесс плавления команды для устранения мельчайших складок, она начнет напоминать кору шимпанзе. Если расплавить кору шимпанзе, она будет напоминать кору резус-макаки и так далее.
Эти результаты показывают, что независимо от вида, существует только один способ, которым кора головного мозга может подвергаться сгибанию. Так почему же они так явно различаются при наблюдении с помощью МРТ? Они кажутся разными по размеру, и некоторые из них сильно сложены, как кора человека, а некоторые гораздо более гладкие, как кора мартышки.
«Главное здесь — точно определить, что мы подразумеваем под «похожим», — объясняет старший автор исследования профессор Бруно Мота из Федерального университета Рио-де-Жанейро, Бразилия. — Можно представить себе форму, похожую на человеческую кору, но при увеличении масштаба вы обнаружите, что внутри каждой складки есть бесконечно меньшие складки. Такая форма не может существовать в природе, но ее можно определить математически как фрактальную форму, как мы и сделали здесь. Мы показали, что все коры изученных нами видов напоминают эту фрактальную форму для определенного диапазона размеров складок».
Таким образом, добавляет Мота, различия, наблюдаемые в формах коры у этих видов, во многом обусловлены тем, что у каждого из них разный диапазон размеров складок, для которых сохраняется сходство. Для более гладкой коры, как у мартышки, этот диапазон уже; для более складчатой, как у шимпанзе, он шире.
Авторы отмечают, что их исследование было ограничено описаниями целых корковых полушарий, и что в будущей работе они попытаются изучить более конкретные корковые регионы. Они также изучат, как нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, влияют на фрактальную форму коры. Это может в конечном итоге позволить идентифицировать более подробные биомаркеры для различных неврологических состояний и заболеваний и поддержать дальнейшее понимание того, как они развиваются.
«Наши результаты предполагают универсальную схему формы мозга млекопитающих и общий набор механизмов, управляющих складчатостью коры», — заключает Мота. «Мы надеемся, что наша структура для выражения и анализа формы коры может стать мощным инструментом для характеристики и сравнения коры разных видов и особей, в процессе развития и старения, а также в состоянии здоровья и болезни».