Tubuh kita berfungsi melalui proses yang konstan dan berirama, seperti pernapasan dan pembersihan otak setiap malam. Kini, para peneliti telah menemukan bahwa ritme dasar di otak dan usus kita beroperasi berdasarkan prinsip fisik yang sangat mirip, sehingga berpotensi membentuk kembali pemahaman kita tentang kedua sistem tersebut.
Fisika Paralel di Otak dan Usus
Pola osilasi yang sama yang mendorong pencernaan—memindahkan makanan melalui sistem pencernaan—juga ditemukan di pembuluh darah otak. Pola-pola ini membantu mengatur aliran oksigen dan nutrisi ke otak saat dibutuhkan. Temuan luar biasa ini menyoroti kesamaan dasar fisik untuk proses biologis yang tampaknya berbeda.
Memodelkan Irama Usus sebagai Titik Awal
Penelitian yang dilakukan oleh tim internasional ini dimulai dengan keinginan untuk memahami bagaimana pembuluh darah di otak mengontrol perubahan ritme aliran darah, sebuah proses yang dikenal sebagai vasomotion kortikal. Untuk mengatasi tantangan kompleks ini, para ilmuwan pertama-tama berfokus pada sistem yang lebih sederhana: gerak peristaltik usus. Berdasarkan penelitian sebelumnya, tim mengembangkan model matematika yang lebih lengkap—model Ginzburg-Landau (GL)—untuk mewakili ritme dan gelombang yang terlibat.
Para peneliti menguji model terbaru mereka dengan melihat apakah model tersebut dapat meniru pola osilasi yang diamati pada usus kucing. Hal ini berhasil dilakukan dan menunjukkan keakuratan model.
Memahami Osilasi Berpasangan
Temuan utama dari pendekatan matematis ini adalah kemampuan untuk menjelaskan bagaimana osilasi di sekitar dapat disinkronkan atau “dipasangkan” satu sama lain. Penelitian ini mengungkapkan ambang batas kritis: kapan osilasi akan sinkron dan kapan tidak. Hal ini menjelaskan pola dalam sistem pencernaan dan menariknya, menunjukkan kesamaan dalam cara fungsi neuron otak.
“Osilator yang berpasangan berbicara satu sama lain, dan setiap bagian usus merupakan osilator yang berkomunikasi dengan bagian di dekatnya,” jelas fisikawan Massimo Vergassola dari UC San Diego. “Secara tradisional, osilator berpasangan dipelajari dalam pengaturan yang seragam, di mana semua osilator memiliki frekuensi yang hampir sama. Dalam kasus kami, frekuensinya lebih bervariasi—seperti halnya di usus dan otak.”
Perbedaan Signifikan Masih Ada
Penting untuk diperhatikan bahwa otak dan usus pada dasarnya berbeda. Usus berfungsi sebagai jalur satu arah untuk mendapatkan makanan, sedangkan pembuluh darah di otak membentuk jaringan kompleks yang memungkinkan aliran berbagai arah.
Implikasinya terhadap Kesehatan Mental dan Gangguan Neurologis
Meskipun penelitian ini menunjukkan perilaku serupa dan bukan hubungan langsung, penelitian ini memberikan harapan yang signifikan. Dengan memahami ritme umum ini, para ilmuwan dapat memperoleh wawasan tentang denyut otak dan usus yang dapat menandakan perubahan dalam kesehatan mental atau bahkan memprediksi timbulnya kondisi neurologis seperti demensia.
“Otak jauh lebih rumit daripada usus, tapi inilah sains terbaiknya,” kata Kleinfeld. “Anda mengajukan satu pertanyaan, itu membawa Anda ke tempat lain, Anda memecahkan masalah itu, lalu kembali ke pertanyaan awal Anda.”
Penelitian ini menggarisbawahi keterhubungan tubuh kita dan menyoroti bagaimana pemahaman prinsip-prinsip fisika dasar dapat menerangi sistem biologis yang kompleks. Penemuan ritme yang sama ini membuka jalan baru untuk mengeksplorasi kesehatan otak dan usus serta menawarkan perspektif baru tentang bagaimana organ-organ vital ini berkomunikasi dan mempengaruhi satu sama lain.
