Research press release


Nature Physics

3D printing confirms physical model of brain folds



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


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