ZiMT Journal Club Mai 2019: Dr.-Ing. Silvia Budday / Die Rolle der Mechanik bei der Gehirnentwicklung

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Dr.-Ing. Silvia Budday, Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM), FAU

Die Rolle der Mechanik bei der Gehirnentwicklung

Die charakteristisch gefaltete Oberflächenmorphologie ist ein klassisches Markenzeichen des Säugergehirns. Während der Entwicklung entwickelt sich die zunächst glatte Oberfläche zu einem aufwendig gewundenen Muster, das eng mit der Gehirnfunktion korreliert und als klinischer Indikator für physiologische und pathologische Zustände dient. Trotz ihrer Bedeutung sind die Regulatoren der Hirnfaltung in Evolution und Entwicklung noch wenig verstanden. Hier kombinieren wir analytische, rechnerische und experimentelle Analysen, um zu zeigen, dass physikalische Kräfte eine wichtige Rolle bei der Musterauswahl spielen. Wir charakterisieren experimentell die mechanische Reaktion von Hirngewebe unter mehreren Belastungsbedingungen und betrachten zelluläre Prozesse während der Gehirnentwicklung, um ein mechanisches Modell des Hirnwuchses zu erstellen. Das Modell besteht aus einem morphogenetisch wachsenden äußeren Kortex und einem streckinduzierten wachsenden inneren Kern. Durch computergestützte Analysen untersuchen wir wachstumsbedingte primäre und sekundäre Instabilitäten und liefern neue Erkenntnisse über die Entstehung fortschrittlicher Faltenmodi höherer Ordnung. Die Ergebnisse betonen, dass die wichtigsten Regulatoren der Hirnfaltung die kortikale Dicke, die Hirngeometrie, die Steifigkeit und das Wachstum sind. Das mechanische Modell erklärt, warum größere Gehirne von Säugetieren tendenziell mehr verworren sind als kleinere Gehirne. Numerische Vorhersagen stimmen gut mit den klassischen Pathologien der Lissenzephalie und Polymikrogyria überein. Die Kombination von Physik und Biologie verspricht ein besseres Verständnis der menschlichen Gehirnentwicklung, eine frühzeitige Diagnostik kortikaler Fehlbildungen und eine bessere Behandlung von neuroentwicklungsbedingten Störungen wie Epilepsie, Autismus und Schizophrenie.

Biographie

Silvia Budday, derzeit Emmy Noether-Nachwuchsgruppenleiterin am LTM, studierte Maschinenbau am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wo sie 2011 einen der vier besten Bachelor-Abschlüsse und 2013 den besten Master-Abschluss einer Studentin absolvierte. Während des Masterstudiums verbrachte sie ein Jahr im Ausland an der Purdue University, Indiana, USA, für das sie vom DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst) ein Auslandsstipendium erhielt. Sie war auch Stipendiatin der Studienstiftung des deutschen Volkes. Sie promovierte über „The Role of Mechanics during Brain Development“ an der FAU unter der Leitung von Prof. Paul Steinmann in enger Zusammenarbeit mit Prof. Ellen Kuhl an der Stanford University und Prof. Gerhard Holzapfel an der Technischen Universität Graz. Sie promovierte im Dezember 2017 mit „summa cum laude“ und wurde im gleichen Jahr mit dem GACM Best PhD Award (Deutsche Gesellschaft für Computational Mechanik) und dem ECCOMAS Best PhD Award für eine der beiden besten Dissertationen auf dem Gebiet der Computational Methods in Applied Sciences and Engineering in Europa ausgezeichnet. Darüber hinaus erhielt sie den Bertha Benz-Preis der Daimler und Benz Stiftung als visionäre Ingenieurpionierin. Im Juli 2018 erhielt sie die Förderung der Emerging Talents Initiative durch die FAU und im Oktober 2018 einen der Acta Students Awards 2017. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die experimentelle und rechnergestützte Weichteilbiomechanik mit besonderem Schwerpunkt auf der Gehirnmechanik und dem Zusammenhang zwischen Gehirnstruktur und -funktion.

References

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