表面张力控制脑类器官中脑回化的起始

理解脑胚胎发生的力学机制可为平滑脑症等脑发育相关病理提供见解，平滑脑症是一种导致脑沟数量减少的遗传性疾病。近期关于脑类器官的实验已证实，脑回化（即脑折叠结构的形成）是由外周区域的非均匀生长所触发的。然而，这些细胞聚集体的流变学以及平滑脑症的力学机制仍存在争议。在本工作中，我们基于形态弹性理论建立了脑类器官的数学模型。将其描述为非线性弹性体，由一个圆盘及包围它的称为皮层的生长层组成。由于细胞间粘附力，外边界受到组织表面张力的作用。我们表明，由此产生的表面能在脑类器官的小尺度下不可忽略，并显著影响细胞聚集体的力学行为。我们对径向对称构型进行了线性稳定性分析，并通过有限元模拟研究了后屈曲行为。我们发现脑回化过程由皮层生长触发，并受两个长度尺度竞争的调制：类器官半径与由表面张力引起的毛细长度。我们证明固体模型能够复现体外实验的结果。此外，我们证明平滑脑症中脑沟缺失是由细胞刚度降低引起的：类器官的软化增强了表面张力的作用，延迟甚至抑制了自由边界处力学失稳的起始。