Ons lichaam functioneert via constante, ritmische processen, zoals de ademhaling en de nachtelijke reiniging van onze hersenen. Nu hebben onderzoekers ontdekt dat fundamentele ritmes in zowel onze hersenen als onze ingewanden werken volgens verrassend vergelijkbare fysieke principes, waardoor ons begrip van beide systemen mogelijk opnieuw wordt vormgegeven.
Parallelle natuurkunde in de hersenen en de darmen
Dezelfde oscillerende patronen die de spijsvertering aandrijven – het verplaatsen van voedsel door het spijsverteringsstelsel – worden ook aangetroffen in de bloedvaten van de hersenen. Deze patronen helpen bij het reguleren van de stroom van zuurstof en voedingsstoffen naar de hersenen wanneer dat nodig is. Deze opmerkelijke bevinding benadrukt een gedeelde fysieke basis voor schijnbaar uiteenlopende biologische processen.
Het modelleren van darmritmes als uitgangspunt
Het onderzoek, uitgevoerd door een internationaal team, begon met de wens om te begrijpen hoe bloedvaten in de hersenen ritmische veranderingen in de bloedstroom controleren, een proces dat bekend staat als corticale vasomotie. Om deze complexe uitdaging aan te pakken, concentreerden wetenschappers zich eerst op een eenvoudiger systeem: darmperistaltiek. Door voort te bouwen op eerder onderzoek ontwikkelde het team een completer wiskundig model – een Ginzburg-Landau (GL)-model – om de betrokken ritmes en golven weer te geven.
De onderzoekers testten hun bijgewerkte model door te kijken of het de oscillatiepatronen kon repliceren die werden waargenomen in de darmen van katten. Dit is met succes gelukt, wat de nauwkeurigheid van het model aantoont.
Gekoppelde oscillaties begrijpen
Een belangrijke bevinding van deze wiskundige benadering is het vermogen om uit te leggen hoe nabijgelegen oscillaties met elkaar kunnen synchroniseren of “koppelen”. Het onderzoek bracht kritische drempels aan het licht: wanneer oscillaties zullen synchroniseren en wanneer niet. Dit verklaart patronen in het spijsverteringsstelsel en toont intrigerend genoeg overeenkomsten in de manier waarop de neuronen van de hersenen functioneren.
“Gekoppelde oscillatoren praten met elkaar, en elk deel van de darm is een oscillator die communiceert met de nabijgelegen delen”, legt natuurkundige Massimo Vergassola van UC San Diego uit. “Traditioneel worden gekoppelde oscillatoren bestudeerd binnen een uniforme setting, waarbij alle oscillatoren ongeveer dezelfde frequenties hebben. In ons geval waren de frequenties gevarieerder, net zoals in de darmen en de hersenen.”
Er blijven aanzienlijke verschillen bestaan
Het is belangrijk op te merken dat de hersenen en de darmen fundamenteel verschillend zijn. De darmen fungeren als eenrichtingsverkeer voor voedsel, terwijl de bloedvaten in de hersenen een complex netwerk vormen dat meerdere stroomrichtingen mogelijk maakt.
Implicaties voor geestelijke gezondheid en neurologische stoornissen
Hoewel het onderzoek soortgelijk gedrag aantoont in plaats van een direct verband, houdt het een grote belofte in. Door deze gemeenschappelijke ritmes te begrijpen, kunnen wetenschappers inzicht krijgen in hersen- en darmpulsaties die verschuivingen in de geestelijke gezondheid kunnen signaleren of zelfs het begin van neurologische aandoeningen zoals dementie kunnen voorspellen.
“De hersenen zijn oneindig veel ingewikkelder dan de darmen, maar dit is wetenschap op zijn best”, zegt Kleinfeld. “Je stelt één vraag, die leidt je ergens anders heen, je lost dat probleem op en keert dan terug naar je oorspronkelijke vraag.”
Dit onderzoek onderstreept de onderlinge verbondenheid van onze lichamen en benadrukt hoe het begrijpen van fundamentele fysische principes complexe biologische systemen kan verlichten. De ontdekking van deze gedeelde ritmes opent nieuwe wegen voor het onderzoeken van de gezondheid van hersenen en darmen en biedt een nieuw perspectief op hoe deze vitale organen met elkaar communiceren en elkaar beïnvloeden.
