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Neue Forschungsergebnisse der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University haben ein Modell zur Nachbildung von Hirnfalten entwickelt, das Wissenschaftlern helfen könnte, die inneren Abläufe des Gehirns besser zu verstehen. Durch die dreidimensionale Nachbildung der Hirnfalten konnte das Forschungsteam zeigen, dass die eigentliche Ursache der Hirnfalten – trotz zahlreicher molekularer Prozesse, die die zellulären Vorgänge bestimmen – im Wesentlichen eine mechanische Instabilität ist, die mit einem Ausknicken in Verbindung gebracht wird.
Forscher erstellten mithilfe von MRT-Aufnahmen ein Gelmodell, eine dreidimensionale Nachbildung eines glatten fetalen Gehirns. Die Oberfläche des Modells wurde mit einer Schicht aus Elastomergel beschichtet, das als Analogon der Hirnrinde diente. Um die Ausdehnung der Hirnrinde zu simulieren, wurde das Modellgehirn in ein Lösungsmittel getaucht, das in die äußerste Schicht eindrang und so zu einer Schwellung im Vergleich zu den tieferen Bereichen des Gelgehirns führte. Innerhalb weniger Minuten nach dem Eintauchen in das flüssige Lösungsmittel bildeten sich durch die Kompression Falten im Modell, die in Form und Größe den Falten des tatsächlichen Gehirns ähnelten.
Sogar die Forscher waren von den Ähnlichkeiten zwischen dem Gel-Gehirn und dem menschlichen Gehirn beeindruckt. Jun Chung, Postdoktorand und einer der Erstautoren der Studie, sagte: „Als ich das Modell in das Lösungsmittel gab, wusste ich, dass es Faltungen geben würde, aber ich hätte nie mit einer so großen Übereinstimmung mit dem menschlichen Gehirn gerechnet.“ Er fügte hinzu: „Es sieht aus wie ein echtes menschliches Gehirn.“
Die Relevanz und der Schlüssel zu diesen Ähnlichkeiten liegen in der einzigartigen Form des menschlichen Gehirns. Chung erklärt: „Die Geometrie des Gehirns ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Windungen in bestimmte Richtungen ausrichtet.“ Chung behauptet, dass ihr Modell, das in großen geometrischen Dimensionen einem echten menschlichen Gehirn entspricht, dieselbe Krümmung aufweist, die zur Bildung von Windungen führte, die denen eines echten Fötusgehirns so genau entsprechen.
Es gibt viele Möglichkeiten, die Faltung des menschlichen Gehirns aus evolutionärer Sicht zu erklären. So nahm man beispielsweise einst an, dass die Faltung des Gehirns auf die Evolution des großen Cortex zurückzuführen sei, der in das kleine Volumen passte, wodurch die Länge der neuronalen Verbindungen verkürzt und somit die kognitive Funktion verbessert wurde.
Bisher war ungeklärt, wie sich das Gehirn faltet. Im Laufe jahrelanger Forschung wurden zahlreiche Hypothesen aufgestellt. Allerdings führte keine dieser Entwicklungen direkt zu überprüfbaren Vorhersagen. Nun konnten Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Scientists in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Frankreich und Finnland zeigen, dass die Ursache der Gehirnfalten in einer einfachen mechanischen Instabilität liegt, die höchstwahrscheinlich auf ein Ausknicken zurückzuführen ist.
Das Gehirn ist zwar nicht bei allen Menschen exakt gleich, weist aber in der Regel dieselben Hauptwindungen auf, was auf eine gute Gesundheit hindeutet. Diese Forschung zeigt, dass bei Störungen der globalen Gehirnstruktur oder unvollständiger Reifung/Entwicklung bestimmter Bereiche die Hauptwindungen möglicherweise nicht an den vorgesehenen Stellen vorhanden sind, was zu Funktionsstörungen des Gehirns führen kann. Die Studie trägt dazu bei, die Gehirnwindungen besser zu verstehen und so die inneren Abläufe des menschlichen Gehirns zu entschlüsseln und letztendlich einige Hirnerkrankungen zu erklären.
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. (1. Februar 2016). Neue Forschung bildet das Falten des menschlichen Gehirns in 3D nach: Studie untermauert einfaches mechanisches Modell für die Faltung des menschlichen Gehirns. ScienceDaily. Abgerufen am 2. Februar 2016 von www.sciencedaily.com/releases/2016/02/160201122842.htm
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