Γιατί ο εγκέφαλός μας έχει τόσες πολλές πτυχώσεις; (VIDEO)

Οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν την απάντηση για την «πιο περίπλοκη δομή στο γνωστό σύμπαν»

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει χαρακτηριστεί ως η πιο περίπλοκη δομή στο γνωστό σύμπαν. Και υπάρχει λόγος γι’ αυτό: Ο κάθε εγκέφαλος διαθέτει περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες και αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα ινών που έχουν στριμωχτεί μέσα στο κεφάλι μας.

Οι ελικοειδείς κορυφογραμμές και τα βαθιά «αυλάκια» του ανθρώπινου εγκεφάλου δίνουν στον στριμωγμένο ιστό που υπάρχει μέσα στο κεφάλι μας τη δομή και την εμφάνιση ενός ζαρωμένου καρυδιού. Σε αυτήν την «επιφάνεια» συμβαίνουν όλα: η μνήμη, η σκέψη, η μάθηση και η λογική.

Οι πτυχές αυτές είναι ζωτικής σημασίας για τη σωστή λειτουργία του εγκεφάλου. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι είναι ο λόγος για τον οποίο οι άνθρωποι έχουν μεγαλύτερες γνωστικές ικανότητες από τους πιθήκους και τους ελέφαντες –ο εγκέφαλος των οποίων έχει κάποιες πτυχές–, όπως και από τους αρουραίους και τα ποντίκια - ο εγκέφαλος των οποίων δεν έχει καμία.

Όπως ήταν λογικό, η διαδικασία με την οποία δημιουργούνται οι έλικες του εγκεφάλου είναι επίσης πολύ περίπλοκη. Παρά τις δεκαετίες εικασιών και ερευνών, ο υποκείμενος μηχανισμός πίσω από αυτή τη διαδικασία παραμένει ελάχιστα κατανοητός.

Όπως αναφέρει στο The Conversation η Γουέινγκ Ντάι, επίκουρη καθηγήτρια της Επιστήμης των Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Μπινγκχάμπτον της Νέας Υόρκης, η οποία εξειδικεύεται στην μηχανική του εγκεφάλου, το να καταφέρουμε να διαπιστώσουμε το πώς και γιατί αναπτύσσονται αυτές οι πτυχώσεις του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της κύησης μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να διαγνώσουν και να θεραπεύσουν καλύτερα αναπτυξιακές διαταραχές του εγκεφάλου όπως ο λείος εγκέφαλος και η επιληψία. Επειδή πολλές νευρολογικές διαταραχές εμφανίζονται στα αρχικά στάδια ανάπτυξης, η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της δημιουργίας πτυχώσεων του εγκεφάλου μπορεί να προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες για την κανονική, αλλά και την παθολογική λειτουργία του εγκεφάλου.

Η μηχανική της αναδίπλωσης του εγκεφάλου

Ο εγκέφαλος αποτελείται από δύο στρώματα. Το εξωτερικό στρώμα, που ονομάζεται εγκεφαλικός φλοιός, αποτελείται από διπλωμένη φαιά ουσία, η οποία με τη σειρά της αποτελείται από μικρά αιμοφόρα αγγεία και τα σφαιρικά κυτταρικά σώματα δισεκατομμυρίων νευρώνων. Το εσωτερικό στρώμα φιλοξενεί τη λευκή ουσία, η οποία αποτελείται κυρίως από τις επιμήκεις ουρές των νευρώνων, που ονομάζονται μυελινωμένοι άξονες και συνδέουν διαφορετικές περιοχές του κεντρικού νευρικού συστήματος.

Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι οι δυνάμεις που ασκεί το εξωτερικό και το εσωτερικό στρώμα το ένα στο άλλο, παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη και την δημιουργία των πτυχώσεων του εγκεφάλου.

Μεταξύ των πολλών υποθέσεων που έχουν προτείνει οι επιστήμονες για να εξηγήσουν πώς λειτουργεί η δημιουργία πτυχώσεων του εγκεφάλου, η διαφορική εφαπτομενική ανάπτυξη είναι η πιο κοινά αποδεκτή επειδή υποστηρίζεται καλά από πειραματικές παρατηρήσεις. Αυτή η θεωρία υποστηρίζει ότι το εξωτερικό στρώμα του εγκεφάλου αναπτύσσεται με ταχύτερο ρυθμό από το εσωτερικό λόγω του τρόπου με τον οποίο οι νευρώνες πολλαπλασιάζονται και μεταναστεύουν κατά την ανάπτυξη του εμβρύου. Αυτή η αναντιστοιχία στους ρυθμούς ανάπτυξης ασκεί αυξανόμενες ποσότητες συμπιεστικών δυνάμεων στο εξωτερικό στρώμα, οδηγώντας σε συνολική αστάθεια της αναπτυσσόμενης δομής του εγκεφάλου. Ωστόσο, η αναδίπλωση αυτών των στρωμάτων απελευθερώνει τελικά από αυτή την αστάθεια.

Για να εξηγήσει καλύτερα αυτή τη θεωρία, ο Μιρ Τζαλίλ Ραζαβί, επίκουρος καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών, στο  Πανεπιστήμιο Μπινγκχάμπτον της Νέας Υόρκης, δημιούργησε ένα μηχανικό μοντέλο του εγκεφάλου το οποίο αυξανόταν με μεγαλύτερο ρυθμό ανάπτυξης στο εξωτερικό στρώμα από ό,τι στο εσωτερικό. Όπως ήταν αναμενόμενο, αυτή η αναντιστοιχία στους ρυθμούς ανάπτυξης οδήγησε το εσωτερικό στρώμα να εμποδίσει την εξάπλωση του εξωτερικού στρώματος. Επειδή το εξωτερικό στρώμα δεν μπορούσε να επεκταθεί περαιτέρω εξαιτίας αυτού του εμποδίου, έπρεπε να αναδιπλωθεί και να δημιουργήσει πτυχώσεις μέσα στο εσωτερικό στρώμα για να φτάσει σε μια πιο σταθερή δομή.

Μια άλλη μελέτη από ερευνητές του Χάρβαρντ που χρησιμοποιεί ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο μοντέλο εγκεφάλου από τζελ έδειξε επίσης ότι μια αναντιστοιχία στους ρυθμούς ανάπτυξης οδηγεί σε αυτές τις πτυχώσεις.

Έτσι, φαίνεται ότι αυτές οι πτυχώσεις δημιουργούνται επειδή η αναδίπλωση επιτρέπει στον εγκέφαλο να καταλαμβάνει περισσότερο χώρο μέσα στον μικρό όγκο που έχει διαθέσιμο στο κεφάλι. Με λίγα λόγια μεγιστοποιεί την αναλογία επιφάνειας προς τον όγκο του εγκεφάλου ή την ποσότητα της επιφάνειας που έχει ο εγκέφαλος σε σχέση με το μέγεθός του. Μια υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο επιτρέπει στον εγκέφαλο να συσσωρεύσει περισσότερους νευρώνες σε έναν δεδομένο χώρο, ενώ μειώνει τη σχετική απόσταση μεταξύ τους.

Η ερευνητική ομάδα του Ραζαβί ανακάλυψε επίσης ότι άλλοι μηχανικοί παράγοντες επηρεάζουν επίσης το ενδεχόμενο σχήμα που θα πάρει ένας αναπτυσσόμενος εγκέφαλος, συμπεριλαμβανομένου του αρχικού πάχους του εξωτερικού στρώματος του εγκεφάλου και του πόσο άκαμπτα είναι τα δύο στρώματα μεταξύ τους.

Μελέτες προσομοίωσης έδειξαν πρόσφατα ότι οι άξονες- το τμήμα του νευρώνα που τον βοηθά να μεταδίδει ηλεκτρικά σήματα- παίζει ρόλο στη ρύθμιση της διαδικασίας δημιουργίας των πτυχώσεων του εγκεφάλου. Το επιστημονικό μοντέλο έδειξε ότι οι ελικοειδείς κορυφογραμμές (τα εξογκώματα) του εγκεφάλου σχηματίστηκαν σε περιοχές με μεγάλο αριθμό αξόνων, ενώ οι κοιλότητες ανάμεσα σε αυτά σχηματίστηκαν σε περιοχές με χαμηλή πυκνότητα άξονα. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι αυτά τα ευρήματα μελετώντας πραγματικούς ανθρώπινους εγκεφάλους. Αυτό ενισχύει τη σημασία που παίζει η πυκνότητα του άξονα στην ανάπτυξη του εγκεφάλου και μπορεί να δώσει στοιχεία για την προέλευση διάφορων παθήσεων, όπως ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια κατά τις οποίες υπάρχει ακανόνιστη δομή και συνδεσιμότητα του εγκεφάλου.

Η μηχανική των διαταραχών του εγκεφάλου

Τα μοντέλα του εγκεφάλου που δημιουργούν οι επιστήμονες παρέχουν μια πιθανή εξήγηση σχετικά με το γιατί ο εγκέφαλος μπορεί να σχηματιστεί ανώμαλα κατά την ανάπτυξη, υπογραμμίζοντας τον σημαντικό ρόλο που παίζει η δομή του εγκεφάλου στη σωστή λειτουργία του.

Οι εγκέφαλοι με μη φυσιολογικά μοτίβα πτυχώσεων μπορεί να οδηγήσουν σε πολύ σοβαρές παθήσεις. Για παράδειγμα, ένα μοντέλο εγκεφάλου στο οποίο δημιουργήθηκε παχύτερο από το συνηθισμένο εξωτερικό στρώμα σχημάτισε λιγότερες και μεγαλύτερες κορυφογραμμές και κοιλότητες σε σχέση με έναν εγκέφαλο με κανονικό πάχος. Υπάρχει πιθανότητα αυτό να οδηγήσει σε μια κατάσταση που ονομάζεται λισενεγκεφαλία, ή λείος εγκέφαλος, κατά τη οποία υπάρχει πλήρης απουσία εγκεφαλικών πτυχών. Πολλά παιδιά με αυτή την πάθηση έχουν σοβαρή καθυστέρηση στην ανάπτυξη και πεθαίνουν πριν από την ηλικία των 10 ετών.

Από την άλλη πλευρά, στην πάθηση της πολυμικρογυρίας το εξωτερικό στρώμα είναι λεπτότερο από το συνηθισμένο και έτσι υπάρχει αντίστοιχα υπερβολική αναδίπλωση. Τα άτομα με αυτή την πάθηση μπορεί να έχουν ήπια έως σοβαρά νευρολογικά προβλήματα, όπως επιληπτικές κρίσεις, παράλυση και αναπτυξιακές καθυστερήσεις.

Οι επιστήμονες έχουν επίσης εντοπίσει μη φυσιολογικά μοτίβα αναδίπλωσης σε εγκεφαλικές διαταραχές όπως η σχιζοφρένεια και η επιληψία.

Επόμενα βήματα στη μηχανική του εγκεφάλου

Η κατανόηση των μηχανισμών πίσω από την αναδίπλωση του εγκεφάλου θα παρέχει στους ερευνητές τις γνώσεις, για να ανακαλύψουν τον ρόλο τους στις αναπτυξιακές διαταραχές του εγκεφάλου. Μακροπρόθεσμα, η κατανόηση της σύνδεσης μεταξύ της δομής του εγκεφάλου και της λειτουργίας του μπορεί να οδηγήσει σε πρώιμα διαγνωστικά εργαλεία για εγκεφαλικές παθήσεις. Στο μέλλον, η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί επίσης να είναι σε θέση να δώσει ακόμη περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την κανονική ανάπτυξη και αναδίπλωση του ανθρώπινου εγκεφάλου.