Naukowcy opracowali nową metodę opisu kory mózgowej, ujawniając uniwersalny wzór fraktalny występujący u różnych gatunków ssaków, co może pomóc nam lepiej zrozumieć rozwój i choroby mózgu.
Nowe badania pokazują, że kora mózgowa ma ten sam wzór składania u wszystkich gatunków ssaków, zachowując uniwersalny kształt fraktalny.
Naukowcy opracowali nowatorską metodę opisywania kształtu kory mózgowej, dostarczając dowodów, że kora u ssaków gatunek wykazują uniwersalny, fraktalny wzór.
Badanie, opublikowane jako Reviewed Preprint w e-Życie i ukazująca się dzisiaj w poprawionej wersji, redaktorzy opisują jako cenne ramy dla naszego zrozumienia kory mózgowej jako kształtu fraktalnego. Opisują siłę dowodów jako przekonującą dla uniwersalnego planu fałdowania kory mózgowej ssaków.
Dzięki dalszym badaniom i walidacji podejście to będzie można wykorzystać do uzyskania wglądu w rozwój różnych zwyrodnieniowych i wrodzonych schorzeń neuropatycznych.
Kora mózgowa jest najbardziej zewnętrzną warstwą mózgu odpowiedzialną za złożone funkcje, takie jak myślenie, percepcja i podejmowanie decyzji. Pofałdowanie kory mózgowej, znane jako gyryfikacja, to proces, w wyniku którego na powierzchni mózgu powstają rowki (sulci) i grzbiety (gyri). To fałdowanie zwiększa powierzchnię mózgu, umożliwiając większą liczbę neuronów i bardziej złożone przetwarzanie informacji. Kora wykazuje szeroką różnorodność kształtów i rozmiarów u różnych gatunków.
Nowe metodologie w analizie kory mózgowej
„Postanowiliśmy znaleźć sposób na zdefiniowanie kształtu kory i wyrażenie tego, co jest wyjątkowe w złożonych kształtach i fałdach tworzących każdą korę” – mówi główny autor Yujiang Wang, Future Leaders Fellow w Computational Neurology, Neuroscience & Laboratorium Psychiatryczne (CNNP) w Szkole Informatyki Uniwersytetu w Newcastle w Wielkiej Brytanii. „Można spojrzeć na obraz kory mózgowej i rozpoznać, co to jest. Ale jak możemy odróżnić twoją korę od mojej? Albo jak odróżnić korę mózgową żyrafy od kory mózgowej marmozety? Wymaga to bardziej wyrazistego sposobu opisania kształtu kory mózgowej.”
Wang i współpracownicy zaczęli od ustalenia dwóch kluczowych zasad. Po pierwsze, wiedzieli, że kora nie może po prostu przyjąć żadnego złożonego kształtu – kora to cienkie arkusze istoty szarej złożone w skomplikowany sposób wokół istoty białej, a stopień ich zafałdowania jest dokładnie określony przez grubość i rozmiar tego arkusza. Zasada ta nazywana jest skalowaniem uniwersalnym. Następnie opracowali sposób „stopienia” kory mózgowej poprzez usunięcie fałdów mniejszych niż określony próg, co umożliwiło im indywidualne zbadanie pozostałych fałdów. To ujawniło drugą zasadę; że kora składa się z fałdów różnej wielkości, przy czym małe fałdy przypominają większe – jest to właściwość zwana samopodobieństwem. Przypomina to skalowanie fraktalne, w którym złożony kształt geometryczny przedstawia skomplikowane wzory, które powtarzają się w coraz mniejszych skalach.
Badanie porównawcze różnych gatunków
Następnie zespół połączył zasady uniwersalnego skalowania i samopodobieństwa, aby zbadać korę mózgową 11 różnych gatunków naczelnych, w tym ludzi, szympansów i marmozet. To ujawniło, że pomimo wyraźnych różnic wizualnych między korami gatunków, wszystkie podlegają uniwersalnemu prawu skalowania i przypominają ten sam kształt fraktalny. Zatem jeśli weźmiemy pod uwagę najbardziej złożoną korę człowieka, którą zbadaliśmy, i zastosujemy opracowany przez zespół proces „topnienia” w celu wyeliminowania najmniejszych fałd, zacznie ona przypominać korę szympansa. Jeśli „stopisz” korę szympansa, będzie ona przypominać korę rezusów i tak dalej.
Odkrycia te sugerują, że niezależnie od gatunku, istnieje tylko jeden sposób fałdowania kory mózgowej. Dlaczego więc są tak wyraźnie różne, gdy obserwuje się je w badaniu MRI? Wyglądają na różne pod względem wielkości, a niektóre są silnie pofałdowane, jak kora ludzka, a inne są znacznie gładsze, jak kora marmozety.
„Kluczem jest tutaj precyzyjne zdefiniowanie, co rozumiemy pod pojęciem „podobny”” – wyjaśnia starszy autor Bruno Mota, profesor w laboratorium metaBIO w Instituto de Física na Universidade Federal do Rio de Janeiro w Brazylii. „Można sobie wyobrazić kształt przypominający ludzką korę mózgową, ale gdy się przybliżysz, zauważysz, że w każdej fałdzie znajdują się nieskończenie mniejsze fałdy. Taki kształt nie może istnieć w przyrodzie, ale można go matematycznie zdefiniować jako kształt fraktalny, tak jak to zrobiliśmy tutaj. Pokazaliśmy, że wszystkie kory mózgowe gatunków, które badaliśmy, przypominają ten fraktalny kształt w pewnym zakresie rozmiarów fałdów”.
Dlatego Mota dodaje, że różnice zaobserwowane w kształtach kory mózgowej u tych gatunków wynikają w dużej mierze z faktu, że każdy z nich ma inny zakres wielkości fałdów, w przypadku których utrzymuje się podobieństwo. W przypadku gładszej kory, jak u marmozety, zakres ten jest węższy; dla bardziej złożonego, jak szympans, jest szerszy.
Autorzy zauważają, że ich badania ograniczały się do opisów całych półkul korowych i że w przyszłych pracach będą starali się zbadać bardziej szczegółowe obszary kory. Będą także badać, w jaki sposób choroby neurodegeneracyjne, takie jak Alzheimera wpływają na fraktalny kształt kory. Może to ostatecznie pozwolić na identyfikację bardziej szczegółowych biomarkerów różnych schorzeń i schorzeń neurologicznych oraz zapewnić lepsze zrozumienie ich rozwoju.
„Nasze wyniki sugerują uniwersalny plan kształtu mózgu ssaków i wspólny zestaw mechanizmów rządzących fałdowaniem kory mózgowej” – podsumowuje Mota. „Mamy nadzieję, że nasze ramy wyrażania i analizowania kształtu kory mózgowej mogą stać się potężnym narzędziem do charakteryzowania i porównywania kory mózgowej różnych gatunków i osobników pod kątem rozwoju i starzenia się, a także zdrowia i choroby”.
Odniesienie: „Neuroewolucyjne dowody na uniwersalny fraktalny kształt mózgu naczelnych” autorstwa Yujiang Wang, Karoline Leiberg, Nathan Kindred, Christopher R. Madan, Colline Poirier, Christopher I. Petkov, Peter N. Taylor i Bruno Mota, 30 lipca 2024 r., e-Życie.
DOI: 10.7554/eLife.92080.3
