Ученые нашли универсальный план формы мозга млекопитающих

Исследователи разработали новый подход для описания формы коры головного мозга и представили доказательства, что кора у разных видов млекопитающих следует универсальному фрактальному паттерну.

Исследование, опубликованное как рецензируемая препринт-версия в eLife, редакторы описывают как ценную основу для понимания коры мозга как фрактальной формы. Они считают доказательства убедительными в пользу существования универсального плана для складчатости коры головного мозга млекопитающих.

Этот подход может дать новые знания о развитии различных дегенеративных и врожденных невропатических состояний.

Кора головного мозга — его внешний слой, отвечающий за сложные функции: мышление, восприятие и принятие решений. Процесс образования складок коры (гирификация) создает борозды (сулькусы) и извилины (гиры). Это увеличивает площадь поверхности мозга, позволяя разместить больше нейронов и обрабатывать более сложную информацию. Форма и размер коры сильно различаются между видами и внутри них.

Ученые поставили задачу найти способ определить форму коры и выразить уникальность ее сложных складок. Они начали с двух ключевых принципов.

Первый принцип — универсальное масштабирование. Кора — это тонкий слой серого вещества, сложным образом обернутый вокруг белого вещества. Степень ее складчатости точно определяется толщиной и размером этого слоя.

Второй принцип — самоподобие (фрактальность). Исследователи разработали метод "плавления" коры, удаляя складки меньше определенного порога, чтобы изучать оставшиеся по отдельности. Это показало, что кора состоит из складок разного размера, где мелкие складки похожи на крупные — свойство самоподобия, характерное для фракталов.

Комбинируя принципы универсального масштабирования и самоподобия, команда изучила кору головного мозга 11 различных видов приматов, включая человека, шимпанзе и мармозеток. Несмотря на визуальные различия, все они следуют универсальному закону масштабирования и напоминают одну и ту же фрактальную форму.

Если взять самую сложную кору (человека) и "расплавить" ее, удалив самые мелкие складки, она начинает напоминать кору шимпанзе. Если "расплавить" кору шимпанзе, она становится похожа на кору макаки-резус и так далее.

Результаты показывают, что независимо от вида, существует только один способ, по которому кора головного мозга образует складки. Различия в размере и степени складчатости (например, между человеком и мармозеткой) объясняются разным диапазоном размеров складок, для которых сохраняется фрактальное подобие. У более гладкой коры мармозетки этот диапазон уже, у более складчатой коры шимпанзе — шире.

Исследование было ограничено описанием целых полушарий коры. В будущей работе ученые планируют изучить отдельные регионы коры и то, как нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, влияют на ее фрактальную форму. Это может позволить выявлять более детальные биомаркеры для неврологических состояний и лучше понимать механизмы их развития.