مغز انسان تحت عنوان پیچیده‌ترین ساختار جهان شناخته شده است. محققان دلیل خوبی برای این نام‌گذاری دارند: حدود ۸۶ میلیارد نورون و چند صدهزار مایل فیبر آکسون در مغز وجود دارد که سلول‌های عصبی (نورون‌ها) را به هم متصل می‌کند.
مرجع مقاله: وبسایت خرید و فروش تجهیزات پزشکی مدینیوم
جای تعجبی ندارد که فرایند چروک شدن مغز که منجر به ایجاد شیارهایی در آن می‌شود نیز پیچیده باشد. علی‌رغم چندین دهه فرضیه‌سازی و تحقیق، هنوز مکانیسم حقیقی این فرایند به‌خوبی شناخته نشده است.
ما به‌عنوان محققین بیومکانیک (به سرپرستی دکتر میر جلیل رضوی) و علوم کامپیوتر(به سرپرستی خانم وایینگ دای) از دانشگاه نیویورک، چند سالی را به ترتیب صرف مطالعه مکانیسم چروک شدن مغز و راه‌های تصویرپردازی از مغز کرده‌ایم.
احتمالاً پی‌بردن به این پیچیدگی به محققان در تشخیص و درمان بهتر اختلالات رشدی مغز مانند لیسنسفالی (lissencephaly) یا سندرم مغز صاف و صرع کمک می‌کند. از آنجا که بسیاری از اختلالات عصبی در مراحل اولیه رشد ظاهر می‌شوند، درک نحوه چروک شدن مغز می‌تواند بینش مفیدی در مورد عملکرد طبیعی و آسیب‌شناختی مغز به ما بدهد.
مغز از دولایه تشکیل شده است. لایه بیرونی که قشر مغز (cerebral cortex) نامیده می‌شود از ماده خاکستری چین‌خورده تشکیل شده است که حاوی رگ‌های خونی کوچک و سلول‌های کروی میلیاردها نورون است. لایه داخلی از ماده سفید تشکیل شده است که بیشتر حاوی دُم دراز نورون‌ها به نام آکسون‌های میلین‌دار است.
در سال‌های اخیر، محققان نشان داده‌اند که مکانیک یا نیروهایی که اجسام به یکدیگر وارد می‌کنند، نقش مهمی در رشد و ایجاد چین‌وچروک در مغز دارند.
در میان چندین فرضیه‌ای که دانشمندان برای توضیح نحوه چین‌وچروک شدن مغز ارائه کرده‌اند، رشد مماسی افتراقی (differential tangential growth) رایج‌ترین فرضیه پذیرفته شده است، زیرا مشاهدات تجربی نیز در راستای تأیید این فرضیه بودند. بر اساس این فرضیه سرعت رشد لایه بیرونی مغز نسبت به لایه درونی بیشتر است، دلیل این امر چگونگی تکثیر نورون‌ها و مهاجرت آنها به نقاط دیگر مغز حین رشد است.
مقاله‌های بیشتر: مجله تجهیزات پزشکی
این عدم تطابق در میزان رشد، فشار زیادی برای جمع‌شدن به لایه بیرونی مغز وارد می‌کند و این فشار منجر به ناپایداری کلی ساختار مغز درحال‌رشد می‌شود. بااین‌وجود، چین خوردن این لایه‌ها به ازبین‌رفتن این ناپایداری کمک می‌کند.
برای توضیح بهتر این فرضیه، رضوی یک مدل مکانیکی از مغز ساخت که در آن لایه بیرونی نسبت به لایه داخلی رشد بیشتری داشت. همان‌طور که انتظار می‌رفت، این نابرابری در میزان رشد باعث شد که لایه داخلی مانع گسترش لایه بیرونی به سمت بیرون شود. ازآنجایی‌که لایه بیرونی به دلیل این مانع نمی‌تواند انبساط بیشتری داشته باشد، باید به درون لایه داخلی چین بخورد و خم شود تا به ساختار پایدارتری برسد.
مطالعه دیگری با استفاده از مدل مغز هیدروژلی با چاپ سه‌بعدی نیز نشان داد که نابرابری در میزان رشد باعث چین‌وچروک شدن مغز می‌شود.
دلیل ایجاد چروکیدگی این است که نسبت سطح به حجم مغز را افزایش دهد یا به عبارتی میزان سطحی که مغز نسبت به‌اندازه خود دارد را به حداکثر برساند. بالاتر بودن نسبت سطح به حجم به مغز این امکان را می‌دهد که نورون‌های بیشتری را در یک فضای معین جاسازی کند و درعین‌حال فاصله نسبی بین این نورون‌ها را کاهش دهد.
همچنین بخوانید: چگونه تیک عصبی را از بین ببریم؟
تیم تحقیقاتی جلیلی همچنین متوجه شده است که دیگر عوامل مکانیکی نیز بر ایجاد شکل نهایی مغز درحال‌رشد تأثیر می‌گذارند، از جمله این عوامل ضخامت لایه خارجی اولیه مغز و میزان سختی این دو لایه نسبت به یکدیگر است.
اخیراً، مطالعات شبیه‌سازی به ما نشان داد که آکسون‌ها (بخشی از نورون که وظیفه آنها انتقال سیگنال‌های الکتریکی است) در تنظیم فرایند چین‌وچروک شدن مغز نقش دارند. این مدل نشان داد که برآمدگی‌های مغز (ridges) در نواحی ایجاد می‌شوند که تعداد آکسون‌ها زیاد است، حال‌آنکه فرورفتگی‌ها (valleys) در نواحی ایجاد می‌شوند که تراکم آکسون‌ها کم است. این یافته‌ها با تصویربرداری عصبی و نمونه‌های بافتی که از مغز واقعی انسان برداشته بودیم تأیید شد. این موضوع بر اهمیت تراکم آکسون‌ها در رشد مغز تأکید می‌کند و ممکن است به منشأ بیماری‌هایی مانند اوتیسم و اسکیزوفرنی که مغز بیماران مبتلا به آن ساختار و اتصالات نامنظمی دارند ربط داشته باشد.
هر دو تیم در تلاش هستیم تا مدل‌های پیشرفته‌تری از مغز به وجود آوریم که مبتنی بر تصویربرداری عصبی از مغز واقعی باشند و شبیه‌سازی دقیق‌تری از رشد مغز برای ما فراهم کنند.
مدل‌های مغز به ما توضیح می‌دهند که چرا این احتمال وجود دارد که مغز در طول رشد شکل غیرعادی به خود بگیرد. این مدل‌ها همچنین نقش مهم ساختار مغز در داشتن عملکرد صحیح آن را مشخص می‌کنند.
الگوی چین‌خوردگی غیرطبیعی در مغز می‌تواند منجر به بیماری‌های مرگباری شود. به‌عنوان‌مثال، مدل مغزی که لایه بیرونی آن ضخیم‌تر از حد معمول بود، برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های کمتر و بزرگ‌تری نسبت به مدلی داشت که ضخامت لایه آن معمولی بود. در نهایت، این مشکل مغز می‌تواند منجر به بیماری به نام لیسنسفالی یا مغز صاف شود که در آن چین‌وچروک‌های مغز از بین می‌روند. بسیاری از کودکان مبتلا به این عارضه به‌شدت کوتوله می‌شوند و قبل از ۱۰ سالگی جان خود را از دست می‌دهند.
از طرف دیگر، پلی میکروگلیا (polymicrogyria) بیماری است که در آن لایه بیرونی نازک‌تر از حد معمول است و منجر به بیش از حد چین‌وچروک شدن سطح مغز می‌شود. این بیماری نیز از طریق مدل‌های مکانیکی همانندسازی شد. افراد مبتلا به بیماری پلی میکروگلیا ممکن است مشکلات عصبی خفیف تا شدیدی از جمله تشنج، فلج و تأخیر در رشد را تجربه کنند.
دانشمندان همچنین الگوهای غیرطبیعی چین‌وچروک شدن مغز در اختلالاتی مانند اسکیزوفرنی و صرع را نیز شناسایی کرده‌اند.
درک مکانیسم‌های پشت چین‌خوردگی و اتصالات درون مغز به محققان کمک می‌کند تا نقش آنها در اختلالات رشدی مغز را بررسی کنند. در درازمدت، احتمال دارد مشخص‌کردن ارتباط بین ساختار و عملکرد مغز به‌عنوان ابزار اولیه‌ای در جهت تشخیص بیماری‌های مغزی استفاده شود.
در آینده، ممکن است هوش مصنوعی بتواند بینش بیشتری در مورد رشد طبیعی و چین‌خوردگی مغز انسان به ما بدهد. اما با وجود همه این پیشرفت‌ها در علوم اعصاب، محققانی مانند ما در تلاش هستند تا راز پیچیده‌ترین ساختار شناخته شده در جهان را کشف کنند.
