科学者が人間の脳を3Dプリントし、しわ形成の謎を解明

数日前、Antarctic Bear は、あるメーカーが MRI スキャンデータを使い、独自の脳モデルを 3D プリントしたと報じました。現在、米国ハーバード大学の科学者たちはゲル脳を3Dプリントし、その「成長過程」を観察することで、科学者を長年悩ませてきた大脳皮質のひだの形成の謎を解明しようとしている。

現在、米国ハーバード大学の科学者らは「ゲル状人間の脳」を3Dプリントし、その成長過程を観察することで、人間の脳のひだがどのように形成されるかを明らかにした。
ロサンゼルス・タイムズ紙によると、米国ハーバード大学の科学者らは、ゲル状の脳を3Dプリントし、その「成長過程」を観察することで、人間の大脳皮質がどのようにしてシワを生み出すのかを発見したという。彼らは、人間の脳の発達の過程で、神経細胞の数、大きさ、形、位置の変化が灰白質の拡大につながり、圧力下で皮質が「機械的に不安定」になり、最終的にシワが形成されると指摘した。

最近発行された「Journal of Nature Physics」に掲載されたこの最新の発見は、長年科学者を悩ませてきた人間の脳の灰白質構造の謎を解明するものである。同時に、大脳皮質の折り畳み不足または過剰に関連する特定の疾患の治療にも役立つだろう。

米スタンフォード大学のエレン・クール氏は、この研究が差異成長理論を裏付ける初の実験的証拠となり、物理的な力が単なる生化学的プロセスではなく、神経発達の過程において極めて重要であることを証明したと述べた。この発見は臨床診断と治療にとって非常に重要であり、さまざまな神経疾患の予防に役立つ可能性があります。

脳というと、空気の抜けたバスケットボールのような、しわしわのピンク色の物体を思い浮かべるでしょう。しかし、実際にはすべての種の脳がしわしわになっているわけではありません。たとえば、小型のネズミの脳は滑らかなピンク色です。人間の赤ちゃんの場合、妊娠23週までひだは形成されません。

研究者らは脳の3Dモデルを液体溶媒に浸し、弾性皮質に似た外層が成長し始め、最終的に本物の脳に近いしわのある構造を形成した。
科学者たちは、脳のしわのある構造に多くの利点があることを以前から知っていた。大脳皮質のしわのある構造は、滑らかな表面よりも接続性が高いとクール氏は述べた。「皮質ニューロンはそれぞれ7,000個の他のニューロンと接続しており、神経線維は最大15万キロメートルの長さになる」

多くの研究者がこれらの細胞や生化学のプロセスがどのように機能するかを解明しようと試みてきたが、ハーバード大学の物理学者ラクシュミナラヤナン・マハデヴァン氏は脳のしわ構造の物理学を研究することを決意し、脳の数学的モデルを設計した。 40年以上前、ハーバード大学の別の研究チームは、脳組織の成長の違いがしわのある構造を説明できると考えていました。

研究者たちは脳のひだの成長特性を明らかにすることを計画しているが、実験で人間の脳を直接使用するのは大きな困難がある。現在、ハーバード大学は、3Dプリント技術を使用して、人間の大脳皮質がどのように成長し、ひだを生成するかを明らかにする研究チームを結成している。まず、研究者らは、生後22週の滑らかな胎児の脳の磁気共鳴画像を使用して、脳の「白質」をシミュレートしたゲルモデルを3Dプリントし、次にこれを弾性ゲルのより薄い層に変換して「灰白質層（皮質組織）」をシミュレートした。その後、研究者らは脳の3Dモデルを液体溶媒に浸し、弾性皮質に似た外層の成長を開始させ、最終的に本物の脳に似たしわのある構造を形成した。

結果は、皮質組織が成長し始めたが、白質の上に固定されているだけだったことを示した。皮質が拡大するにつれて、構造は最終的に崩壊し、大脳皮質の表面を覆う脳回と深い溝を形成した。マハデヴァン氏は、「脳のひだの成長過程は分子レベルの変化と密接に関係していることがわかった。生化学的プロセスによって細胞が移動し、分裂し、形を変え、数も変化する」と語った。これは、神経細胞の数、大きさ、形状、位置の変化が灰白質の拡大につながり、物理的な圧力下で大脳皮質の機械的不安定性を引き起こし、最終的にしわのある構造を形成することを意味します。

この研究は、科学者がさまざまな神経疾患をより深く理解するのに役立ちます。また、自閉症、統合失調症、アルツハイマー病の早期診断のための局所解剖学的マーカーを特定し、最終的にはより効果的な治療計画を設計するのにも役立ちます。

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情報元：テンセントサイエンス（Youyou/翻訳）

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