无论它们来自人类,鲸鱼还是大象,许多哺乳动物的大脑都被精心制作的褶皱所覆盖。 现在,一项新的研究表明,这种折叠的程度遵循一种简单的数学关系 - 称为缩放定律 - 这也解释了纸张的皱折。 这一观察结果表明,无数形式的哺乳动物大脑不是源于不同物种之间的微妙发育过程,而是来自同一个简单的物理过程。

加州大学欧文分校的神经科学家Georg Striedter说,在生物学方面,很难找到一种能够完全符合所有数据的数学关系。 “他们抓住了一些东西,”他说。 尽管如此,Striedter认为,缩放定律描述了完全发育的大脑中的一种模式,并没有解释发育中大脑中的折叠是如何发生的。

哺乳动物大脑中的折叠有助于增加皮层的总面积,即神经元所在的灰质外层。 并非所有哺乳动物都有折叠的皮质。 例如,小鼠和大鼠具有光滑表面的大脑并且是“lissencephalic”。 相比之下,灵长类动物,鲸鱼,狗和猫有折叠的大脑,是“gyrencephalic”。

几十年来,科学家一直在努力将物种大脑中的折叠量与其他特征联系起来。 例如,虽然具有小脑的动物倾向于具有光滑的动物,但是通过皮质的总面积与暴露的脑外表面的比例和脑质量之间的折叠量之间没有清晰的关系。 为各种物种制作折叠与脑质量的图,数据点全部落在而不是统一的曲线上。 类似地,折叠量与神经元数量,皮质总面积或皮质厚度之间没有清晰的关系。

但现在,分别位于巴西里约热内卢联邦大学的神经科学家和物理学家Suzana Herculano-Houzel和Bruno Mota已经发现了折叠哺乳动物大脑的数学关系,似乎是普遍存在的。 使用62种不同物种的数据,二重奏绘制了皮质面积乘以其厚度的平方根与大脑暴露面积的平方根。 研究人员今天在“ 科学”杂志网上报告说, - 对于中脑和gyrencephalic物种。 并且曲线显示总面积和厚度的组合随着暴露的外部区域增加到1.25的功率而增长 - 正如圆的面积随着其半径增加到功率2而增长。

这可能听起来很复杂,但是这种普遍的关系与描述皱巴巴的纸张的关系是一样的 - 正如Herculano-Houzel通过在她的餐桌上碾碎不同尺寸和厚度的纸张并测量它们的表面区域所显示的那样。 这种关系的出现是因为弯曲的纸张进入了最小化其能量的配置。 因此,据推测,在折叠时,皮质也简单地陷入了最小机械能的构型。

但斯特里特认为,与压皱纸的类比并不完全可靠。 他指出,纸张暴露在手部施加的外力之下,而皮质中的力可能是内部产生的。 科学家们还没有确定这些力量是如何产生和折叠发生的,斯特里特说,他也在科学 发表 。 例如,他说,一些模型表明,随着外层生长速度快于其内层,生长的皮层会折叠。 “扩展关系是一回事,”Strieder说。 “你如何到达那里的机制是另一个。”

然而,Herculano-Houzel看到的却不同。 她说,在发育的每个阶段,生长的皮质确实受到颅骨外力的影响。 因此,当皮层在受限空间中生长时,它必须揉皱,并且在开发的每个阶段都应该保持伸缩关系,她认为。 Herculano-Houzel说,这种预测可以在开发猪中进行测试,这是她下一步打算做的事情。 她说,如果缩放关系适用于开发的所有阶段,那么就不需要另外一种机制来解释折叠。

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