Ο εγκέφαλός σας είναι σαν μια ράβδος χαρτιού
Είτε προέρχονται από ανθρώπους, φάλαινες ή ελέφαντες, οι εγκέφαλοι πολλών θηλαστικών είναι καλυμμένοι με περίτεχνες πτυχές. Τώρα, μια νέα μελέτη δείχνει ότι ο βαθμός αυτής της αναδίπλωσης ακολουθεί μια απλή μαθηματική σχέση - που ονομάζεται νόμος κλιμάκωσης - που εξηγεί επίσης το τσαλάκωμα του χαρτιού. Αυτή η παρατήρηση υποδηλώνει ότι οι μυριάδες μορφές εγκεφάλου θηλαστικών δεν προκύπτουν από λεπτές αναπτυξιακές διαδικασίες που ποικίλλουν από είδος σε είδος, αλλά μάλλον από την ίδια απλή φυσική διαδικασία.
Στη βιολογία, είναι σπάνιο να βρεθεί μια μαθηματική σχέση που να ταιριάζει τόσο στενά σε όλα τα δεδομένα, λέει ο Georg Striedter, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Irvine. «Κάτι έχουν συλλάβει», λέει. Ωστόσο, ο Striedter υποστηρίζει ότι ο νόμος της κλιμάκωσης περιγράφει ένα μοτίβο μεταξύ πλήρως ανεπτυγμένων εγκεφάλων και δεν εξηγεί πώς συμβαίνει η αναδίπλωση σε έναν αναπτυσσόμενο εγκέφαλο.
Η αναδίπλωση στον εγκέφαλο των θηλαστικών χρησιμεύει για την αύξηση της συνολικής επιφάνειας του φλοιού, του εξωτερικού στρώματος της φαιάς ουσίας όπου βρίσκονται οι νευρώνες. Δεν έχουν όλα τα θηλαστικά διπλωμένο φλοιό. Για παράδειγμα, τα ποντίκια και οι αρουραίοι έχουν εγκεφάλους με λεία επιφάνεια και είναι «λεισεγκεφαλικοί». Αντίθετα, τα πρωτεύοντα, οι φάλαινες, οι σκύλοι και οι γάτες έχουν διπλωμένο εγκέφαλο και είναι "γυρεγκεφαλικά".
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες αγωνίζονται να συσχετίσουν την ποσότητα αναδίπλωσης στον εγκέφαλο ενός είδους με κάποιο άλλο χαρακτηριστικό. Για παράδειγμα, αν και τα ζώα με μικροσκοπικούς εγκεφάλους τείνουν να έχουν ομαλούς εγκεφάλους, δεν υπάρχει καθαρή σχέση μεταξύ της ποσότητας αναδίπλωσης -που μετράται από την αναλογία της συνολικής επιφάνειας του φλοιού προς την εκτεθειμένη εξωτερική επιφάνεια του εγκεφάλου- και της εγκεφαλικής μάζας. Δημιουργήστε μια γραφική παράσταση αναδίπλωσης σε σχέση με τη μάζα του εγκεφάλου για διάφορα είδη και τα σημεία δεδομένων πέφτουν παντού και όχι σε μια ενοποιημένη καμπύλη. Ομοίως, δεν υπάρχει καθαρή σχέση μεταξύ της ποσότητας αναδίπλωσης και του αριθμού των νευρώνων, της συνολικής επιφάνειας του φλοιού ή του πάχους του φλοιού.
Αλλά τώρα, η Suzana Herculano-Houzel και ο Bruno Mota - νευροεπιστήμονας και φυσικός, αντίστοιχα, στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Ρίο ντε Τζανέιρο στη Βραζιλία - βρήκαν μια μαθηματική σχέση για την αναδίπλωση στον εγκέφαλο των θηλαστικών που φαίνεται να είναι καθολική. Χρησιμοποιώντας δεδομένα για 62 διαφορετικά είδη, το δίδυμο σχεδίασε την περιοχή του φλοιού επί την τετραγωνική ρίζα του πάχους του έναντι της εκτεθειμένης περιοχής του εγκεφάλου. Όλα τα σημεία δεδομένων έπεσαν σε μια ενιαία καθολική καμπύλη—τόσο για τα λισεεγκεφαλικά όσο και για τα γυροεγκεφαλικά είδη—όπως αναφέρουν οι ερευνητές στο διαδίκτυο σήμερα στο Science . Και η καμπύλη έδειξε ότι ο συνδυασμός της συνολικής επιφάνειας και του πάχους αυξήθηκε με την εκτεθειμένη εξωτερική περιοχή να αυξάνεται στην ισχύ 1,25—όπως ακριβώς η περιοχή ενός κύκλου αυξάνεται με την ακτίνα του να αυξάνεται στην ισχύ 2.
Μπορεί να ακούγεται περίπλοκο, αλλά αυτή η καθολική σχέση είναι η ίδια που περιγράφει τα τσαλακωμένα κομμάτια χαρτιού – όπως έδειξε η Herculano-Houzel τρίβοντας φύλλα χαρτιού διαφορετικών μεγεθών και πάχους στο τραπέζι της τραπεζαρίας της και μετρώντας την επιφάνεια τους. Η σχέση προκύπτει επειδή το λυγισμένο χαρτί εγκαθίσταται στη διαμόρφωση που ελαχιστοποιεί την ενέργειά του. Κατά πάσα πιθανότητα, κατά την αναδίπλωση, ο φλοιός απλώς εγκαθίσταται στη διαμόρφωση της ελάχιστης μηχανικής ενέργειας.
Αλλά ο Striedter υποστηρίζει ότι η αναλογία με το τσαλακωμένο χαρτί δεν είναι απολύτως αξιόπιστη. Το χαρτί εκτίθεται σε εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται από τα χέρια, σημειώνει, ενώ οι δυνάμεις στον φλοιό πιθανώς προκύπτουν εσωτερικά. Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καθορίσει πώς προκύπτουν αυτές οι δυνάμεις και συμβαίνει η αναδίπλωση, λέει ο Striedter, ο οποίος συνέγραψε ένα σχόλιο στην εργασία που εμφανίζεται επίσης στο Science . Για παράδειγμα, λέει, ορισμένα μοντέλα προτείνουν ότι ο αναπτυσσόμενος φλοιός διπλώνει καθώς το εξωτερικό του στρώμα μεγαλώνει πιο γρήγορα από το εσωτερικό του στρώμα. «Η σχέση κλιμάκωσης είναι ένα πράγμα», λέει ο Strieder. "Ο μηχανισμός για το πώς θα φτάσετε εκεί είναι άλλος."
Ωστόσο, ο Herculano-Houzel το βλέπει διαφορετικά. Σε κάθε στάδιο ανάπτυξης, ο αναπτυσσόμενος φλοιός υπόκειται πράγματι στην εξωτερική δύναμη του κρανίου, λέει. Έτσι, καθώς ο φλοιός μεγαλώνει στον περιορισμένο χώρο, πρέπει να τσαλακωθεί και σε κάθε στάδιο ανάπτυξης η σχέση κλιμάκωσης θα πρέπει να ισχύει, υποστηρίζει. Αυτή η πρόβλεψη μπορεί να δοκιμαστεί, για παράδειγμα, σε χοίρους που αναπτύσσονται, λέει η Herculano-Houzel, κάτι που σκοπεύει να κάνει στη συνέχεια. Εάν η σχέση κλιμάκωσης ισχύει σε όλα τα στάδια ανάπτυξης, λέει, τότε δεν χρειάζεται άλλος μηχανισμός που να εξηγεί το δίπλωμα.
