3D-Druck: Gel-Gehirn erklärt Furchenbildung

Physikalische Kräfte sind eher für die komplexe Struktur der Hirnwindungen verantwortlich als biologische und chemische Faktoren
Gel-Gehirn aus dem 3D-Drucker
Gel-Gehirn aus dem 3D-Drucker
© Mahadevan Lab/Harvard SEAS
Jyväskylä (Finnland) - Zahlreiche Furchen und Windungen bestimmen die Oberfläche des menschlichen Gehirns. Keinem Hirnforscher ist es bisher gelungen, die Bildung dieser komplexen Faltenstruktur mit biologischen, chemischen oder genetischen Faktoren zu erklären. Diese Wissenslücke konnte nun eine internationale Gruppe von Physikern mit einem gelartigen Hirnmodell aus dem 3D-Drucker stopfen. In der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten sie, wie allein physikalische Kräfte beim Heranwachsen des ungeborenen Fötus die Ausbildung der Faltenstruktur bestimmten.

„Das schnelle Wachstum des menschlichen Gehirns führt, begleitet von Faltungen, zu einer extrem gewundenen Struktur“, schreiben Tuomas Tallinn von der finnischen Universität Jyväskylä und seine amerikanischen und französischen Kollegen. Für ihren neuen Ansatz, die komplexe Hirnstruktur zu erklären, nutzten sie Kernspinresonanzaufnahmen eines Fötus in der 22. Schwangerschaftswoche. Zu diesem Zeitpunkt ist die Hirnoberfläche noch weitestgehend glatt. Ausgehend von diesem Status zeigten sie in einem Experiment mit einem künstlichen Hirnmodell die Wirkung physikalischer Kräfte auf die Oberflächenstruktur beim weiteren Wachstum. Parallel simulierten sie diesen Prozess mit einem aufwendigen Computermodell.

Auf der Basis der Kernspinbilder druckten sie mit einem 3D-Drucker eine gelüstige Masse aus, die der Form des noch glatten Gehirns des ungeborenen Fötus entsprach. Auf dieses Gel-Gehirn brachten sie eine dünne Schicht eines flexiblen Kunststoffs auf, analog zur zeltreichen grauen Masse. In ein flüssiges Lösungsmittel getaucht, schwoll diese gelartige Masse an und übte dabei zunehmend starke Kompressionskräfte aus. Um sich auf beschränktem Raum dennoch ausdehnen zu können, faltete sich das Gel in zahlreiche Furchen und Windungen. Diese zeigten qualitativ verblüffende Ähnlichkeiten mit einem echten menschlichen Gehirn.

Die parallel durchgeführten Simulationen, die allein auf der Ausdehnung des Gels, dessen Flexibilität und der wirkenden Kompressionskräfte beruhte, ergaben ähnliche Faltstrukturen. Dank dieser Übereinstimmung steht nun erstmals eine rein physykalische Erklärung zur Ausbildung der komplexen Hirnstrukturen zur Verfügung. Kombiniert mit den bisher gewonnenen biologischen Erkenntnissen lässt sich das Wachstum der Hirnstruktur von Menschen, Primaten und anderen höheren Säugetieren besser verstehen.

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