Синхронизация в природе
В природе синхронизация встречается повсеместно: от мерцания светлячков до движения рыб в океане. Биологические системы часто взаимодействуют в ритмическом движении. Механизмы, обеспечивающие эту синхронизацию, сложны.
Исследование механизмов синхронизации
Например, в сосудах головного мозга происходит колебание: они расширяются и сужаются по мере необходимости. Когда возникает нейронная активность, артериолы расширяются, увеличивая приток крови, кислорода и питательных веществ. Эти колебания поддерживаются самостоятельно, но артериолы также работают согласованно друг с другом.
Открытие в области физиологии пищеварения
Чтобы найти ответ, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обратились к другой части тела — кишечнику. Здесь они обнаружили, что осцилляторы, работающие на схожих частотах, последовательно соединяются друг с другом, создавая эффект лестницы. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Известно, что если к самоподдерживающемуся осциллятору, такому как артериола, добавить внешний стимул аналогичной, но не идентичной частоты, можно синхронизировать их. Профессор физики и нейробиологии Дэвид Кляйнфельд обнаружил, что при применении внешнего стимула к нейрону вся сосудистая система синхронизируется на одной частоте. Однако, если стимулировать два набора нейронов на разных частотах, происходит нечто неожиданное: некоторые артериолы синхронизируются на одной частоте, а другие — на другой, образуя эффект лестницы.
Роль внешних стимулов и математическая модель
Профессор физики Массимо Вергассола, специализирующийся на понимании физики живых систем, и его коллеги из Высшей нормальной школы (École Normale Supérieure) и Института сложных систем (Institute for Complex Systems) разработали классическую модель связанных осцилляторов с учётом особенностей кишечника.
Кишечник колеблется естественным образом из-за перистальтики — сокращения и расслабления мышц в пищеварительном тракте. Это упрощённая модель по сравнению со сложной сетью кровеносных сосудов в мозге. Кишечник работает в одном направлении, что позволяет пище перемещаться от начала тонкого кишечника до конца толстого кишечника.
«Связанные осцилляторы взаимодействуют друг с другом, и каждый участок кишечника является осциллятором, который взаимодействует с другими участками поблизости», — заявил Вергассола. «Обычно связанные осцилляторы изучаются в однородной среде, то есть все осцилляторы имеют более или менее схожие частоты. В нашем случае осцилляторы были более разнообразными, как в кишечнике и мозге».
Выводы исследования
Изучая связанные осцилляторы в кишечнике, исследователи обнаружили, что действительно существует эффект лестницы, где похожие частоты синхронизируются с окружающими их частотами, обеспечивая ритмическое движение пищи по пищеварительному тракту. Однако высота подъёмов или разрывов, длина лестничных пролётов или частот, а также условия, при которых возникает феномен лестницы, — важные особенности биологических систем — до сих пор не были определены.
Это новое математическое решение отвечает на два давних биологических вопроса: как пища перемещается по пищеварительному тракту и как она перемешивается. Команда надеется, что эта работа поддержит дальнейшие исследования перистальтики, связанные с проблемами здоровья желудочно-кишечного тракта.
«Математика была решена приблизительно и раньше, но не таким образом, чтобы дать вам эти перерывы и то, что происходит на них. Это критическое открытие», — заявил Кляйнфельд.
Теперь, когда вопрос об осцилляциях в кишечнике решён, исследователи вернулись к изучению сложной сосудистой системы мозга. Если кишечник работает в одном направлении, то сосудистая система мозга имеет сотни направлений. Хотя в обоих случаях присутствуют лестницы, в кишечнике они идут от одного уровня к следующему, один за другим. В мозге лестницы идут по разным путям разной длины одновременно.
«Мозг бесконечно сложнее кишечника, но это и есть наука в её лучшем проявлении», — сказал Кляйнфельд. «Вы задаёте один вопрос, он ведёт вас куда-то ещё, вы решаете эту проблему, а затем возвращаетесь к своему первоначальному вопросу».
Предоставлено:
[University of California — San Diego](https://phys.org/partners/university-of-california—san-diego/)