Физическая модель роста черепа

Физики предложили модель, которая предсказывает развитие черепа на основе законов механики, а не биологии. Модель должна помочь хирургам оперировать пациентов с отклонениями в развитии черепа.

Результат работы предложенной модели. Слева - правильно сформированный череп. Три других - с различными отклонениями в развитии.
Credit: J. Weickenmeier et al., Phys. Rev. Lett. (2017)
Результат работы предложенной модели. Слева - правильно сформированный череп. Три других - с различными отклонениями в развитии. Credit: J. Weickenmeier et al., Phys. Rev. Lett. (2017)

Известно, что человеческий череп видоизменяется в процессе своего роста. Причины этих изменений пока что поняты физиологами не до конца. В свежей работе учёные предложили новую модель роста черепа, основанную только на физических и геометрических соображениях без привлечения данных биохимии и генетики. Модель успешно описывает развитие известных черепных деформаций и помогает понять, как череп реагирует на прилагаемые механические воздействия.

Рост черепа в гармонии с ростом мозга - сложный процесс. Биологи традиционно анализирует его на основе биохимии и генетики, однако некоторые из них считали, что не менее важны и чисто механические напряжения, вызванные увеличением размера мозга.

Эта гипотеза стала объектом исследования, проведённое под руководством математика Алена Горили из Оксфордского университета и инженера-биомеханика Эллен Кюль из Стэнфордского университета. Их группы разработали программу, которая моделирует рост и развитие черепного свода на основе исключительно законов механики.

В свою модель учёные включили два основных процесса роста костей. У новорожденных основная активность сконцентрирована вблизи черепных швов - мягких волокнистых структур, соединяющих отдельные костные пластинки. Рост костей начинается на этих швах и идёт в направлении от шва. Второй процесс, называемый ремоделлинг, заключается в том, что уже существующая внутренней поверхности пластины кость удаляется, а на внешней стороне нарастает новая. Ремоделлинг уменьшает кривизну черепа в процессе его роста, а также способствует увеличению толщины черепа.

Свою модель учёные проверили на простейшем случае черепа неизменной формы. Предполагая что черепной свод имеет эллиптическую форму и разделён на небольшие участки, они промоделировали увеличение объёма черепной коробки, толщины черепной кости, а также площади соединительных швов.

Моделирование позволило также посмотреть, как деформируется череп, если мягкие ткани в швах затвердевают раньше нужного. Наблюдавшиеся при этом отклонения от развития черепа были аналогичны тем, что наблюдаются у реальных пациентов. При этом модель предсказал их без какой-либо подгонки параметров.

Дальнейшее развитие модели предполагает её дополнение биохимическими процессами. Это позволит понять взаимоотношения между механическими и биологическими процессами. Такая модель уже может быть использована в клинических приложениях нейро- и черепно-лицевыми хирургами.

Больше статей в блоге physh.ru и telegram-канале physħ