Research press release

三次元印刷で脳のしわの物理モデルを確かめる

Nature Physics

3D printing confirms physical model of brain folds

今週のオンライン版で発表される論文によると、人の脳の折りたたまれた構造は、生物学的現象ではなく、物理現象である可能性がある。三次元印刷技術を用いて、脳のこうした際立った特徴は力学的な圧縮に起因するとする異論の多いモデルが確かめられたのである。

1975年に提案されたこのモデルは、生物化学的要因が何もない場合、物理的な成長過程で脳の形状を説明できると示唆している。しかし、人の脳を使った実験には倫理的な問題が伴い、適当な代替手段がないため、このモデルを裏付ける証拠を得ることは難しかった。

今回Tuomas TallinenとLakshminarayanan Mahadevanたちは、ヒトの胎児脳の磁気共鳴画像に基づいて、軟質ゲルでできたモデル脳を三次元印刷することで、こうした困難を回避した。このモデル脳は、溶媒に浸けた時の膨潤度が異なるように設計されたさまざまな種類のゲルの層からなり、本物の脳の成長を模倣する。その結果、各層の相対的な膨張によって力学的な圧縮力が生じて、人の脳に見られるよく知られたしわの形成につながることが示された。著者たちは、数値モデルによって今回の実験結果の裏付けを得ており、物理的な力は神経発達に重要な役割を担い、多くの神経疾患の診断と治療に影響を与える可能性があることが、こうした結果から示唆されると結論づけている。

同時掲載のNews & Views記事で、Ellen Kuhlは、「実験的な証拠がないことが、神経科学界からこのモデルが批判される主要なポイントであった。今回の結果は、モデル、実験、シミュレーションの間の極めて重要なミッシングリンクを与えるものである。」と述べている。

The folded structure of the human brain may be a physical-rather than biological-phenomenon, according to a study published online this week in Nature Physics. The research uses a 3D printing technique to confirm a controversial model that attributes this distinctive feature of brain development to mechanical compression.

The model, put forward in 1975, suggests that the brain’s shape can be explained as a physical growth process, in the absence of any biochemical factors. However, supporting evidence has proved difficult to obtain, due to ethical concerns associated with experiments on human brains and a lack of suitable alternatives.

Tuomas Tallinen, Lakshminarayanan Mahadevan and colleagues circumvented these challenges by 3D printing a model brain made from soft gels, based on a magnetic resonance image of a fetal human brain. Their brain comprised layers of different types of gel, designed to swell to different degrees when immersed in solvent, mimicking real brain growth. They show that the relative expansion of the layers created mechanical compression forces that in turn led to the formation of the familiar folds found in the human brain. The authors conclude that their experimental results, which they support with a numerical model, suggest that physical forces play a key role in neurodevelopment and may have implications for the diagnosis and treatment of a number of neurological disorders.

In an accompanying News & Views article, Ellen Kuhl writes: “the lack of experimental evidence has been the major point of criticism [of the model] from the neuroscience community…This work provides the essential missing link between modeling, experiment and simulation.”

doi: 10.1038/nphys3632

「注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したプレスリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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