大脑褶皱力学形成机制探索

Gyrification is a critical feature of brain structure. Exploring the mechanisms of cortical folding may hold the key to the developmental mechanism of brain structural and functional architecture. However, most available theories were proposed based on image analysis techniques, so that only hypotheses can be derived, which are far from exploring the underlying mechanisms. Therefore, by taking gyrification as a mechanical process, we will develop new mechanical simulation and analysis approaches and combine them with image analysis ones. Also, works available in literature only focused on how factors such as the growth of cortices and axons contribute to the radial local convolution patterns. In this project, we will study the underlying mechanical mechanisms by which those possible factor take effects on formation of both radial and circumferential local convolution patterns, and the formation of global convolution landscape. The mechanical mechanisms studied in this project may bring a new avenue to study brain architecture, evolution and diseases.

褶皱是大脑结构的一个重要特征。对褶皱及其形成机理的研究，在本质上是对大脑结构和功能构架的形成机理的研究。然而已有的理论大多都建立在图像分析技术基础之上，仅能提出相关的理论假设，而不能对褶皱形成机制进行研究。因此，本项目则拟将力学分析方法作为切入点，将褶皱形成看作一个力学作用的过程，开发力学模拟的新方法，并将其与图像分析相结合。另外，已有的理论仅关注皮层和神经纤维生长等因素对轴向局部褶皱模态形成之间的关系，而本项目将深入的分析是这些因素是以何种力学机制对轴向和侧向局部褶皱模态以及全局褶皱分布模式产生作用的。本项目拟研究的力学机制，将为大脑褶皱形成机理开辟新的研究途径，其结果将为大脑构架、物种脑进化和脑疾病病理等的研究提供新的思路和方法。

褶皱是大脑结构的一个重要特征。对褶皱及其形成机理的研究，在本质上是对大脑结构和.功能构架的形成机理的研究。然而已有的理论大多都建立在图像分析技术基础之上，仅能提出相关的理论假设，而不能对褶皱形成机制进行研究。因此，本项目将褶皱形成看作一个力学作用的过程，采用了将力学模拟与图像分析相结合的研究新思路。.在该思路框架下，我们的研究内容如下：.1).提出了全新的脑回褶皱模态：“铰链脑回”，并研究了它的形成过程以及力学机制;.2).研究了不同褶皱模态（铰链、普通脑回和脑沟）之间的白质纤维束连接多种属性之间的关系；.3).在1)和2)的基础上深入的分析并模拟了皮层和神经纤维生长等因素对轴向和侧向局部褶皱模态以及全局褶皱分布模式的力学机制。.作为应用，我们还进行了如下研究：.1).从多种尺度上深入分析了皮层褶皱形成和大脑结构功能构架形成之间的关系；.2).对皮层褶皱和纤维束的研究在跨物种比较方向上也做出了新的尝试；.3).对自闭症患者和早产儿患者大脑上出现的异常褶皱和结构功能连接等,从力学角度进行了初步的研究；.4).尝试从基因层面对探索皮层形成不同褶皱形态的力学机理。..本项目研究的力学机制，为大脑褶皱形成机理开辟新的研究途径，其结果为大脑构架、物种脑进化和脑疾病病理等的研究提供新的思路和方法。