Nasze ciała funkcjonują poprzez ciągłe, rytmiczne procesy, takie jak oddychanie i nocne oczyszczanie mózgu. Teraz naukowcy odkryli, że podstawowe rytmy w mózgu i jelitach działają na niezwykle podobnych zasadach fizycznych, potencjalnie zmieniając nasze rozumienie obu systemów.
Równoległa fizyka w mózgu i jelitach
Te same wzorce oscylacyjne, które kontrolują trawienie – przepływ pokarmu przez układ trawienny – występują również w naczyniach krwionośnych mózgu. Wzorce te pomagają regulować przepływ tlenu i składników odżywczych do mózgu w razie potrzeby. To niezwykłe odkrycie podkreśla wspólną podstawę fizyczną leżącą u podstaw pozornie odrębnych procesów biologicznych.
Modelowanie rytmów jelitowych jako punkt wyjścia
Badania prowadzone przez międzynarodowy zespół rozpoczęły się od zrozumienia, w jaki sposób naczynia krwionośne mózgu kontrolują rytmiczne zmiany w przepływie krwi – proces znany jako naczynienie korowe. Aby pokonać to wyzwanie, naukowcy skupili się najpierw na prostszym systemie: motoryce jelit. Korzystając z wcześniejszych badań, zespół opracował pełniejszy model matematyczny — model Ginzburga-Landau (GL) — reprezentujący rytmy i fale zaangażowane w ten proces.
Naukowcy przetestowali swój zaktualizowany model, aby sprawdzić, czy jest w stanie odtworzyć wzorce oscylacyjne obserwowane w jelitach kotów. To się powiodło, wykazując dokładność modelu.
Zrozumienie drgań sprzężonych
Jednym z kluczowych wyników podejścia matematycznego jest możliwość wyjaśnienia, w jaki sposób pobliskie wibracje mogą się synchronizować lub „łączyć” ze sobą. W badaniu określono krytyczne progi określające, kiedy oscylacje zostaną zsynchronizowane, a kiedy nie. To wyjaśnia wzorce w układzie trawiennym i co zaskakujące pokazuje podobieństwa w funkcjonowaniu neuronów w mózgu.
„Połączone oscylatory komunikują się ze sobą, a każda część jelita jest oscylatorem, który oddziałuje z sąsiednimi sekcjami” – wyjaśnia fizyk Massimo Vergassola z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. “Tradycyjnie sprzężone oscylatory są badane w jednorodnym środowisku, w którym wszystkie oscylatory mają w przybliżeniu tę samą częstotliwość. W naszym przypadku częstotliwości były bardziej zróżnicowane, zarówno w jelitach, jak i w mózgu.”
Pozostają istotne różnice
Należy zauważyć, że mózg i jelita to wciąż zasadniczo różne systemy. Jelita służą jako jednokierunkowe przejście pokarmu, podczas gdy naczynia krwionośne w mózgu tworzą złożoną sieć umożliwiającą przepływ pokarmu w wielu kierunkach.
Konsekwencje dla zdrowia psychicznego i zaburzeń neurologicznych
Chociaż badanie pokazuje raczej podobne zachowanie niż bezpośredni związek, ma znaczny potencjał. Rozumiejąc te powszechne rytmy, naukowcy mogą uzyskać wgląd w pulsacje w mózgu i jelitach, które mogą sygnalizować zmiany w zdrowiu psychicznym, a nawet przewidywać początek schorzeń neurologicznych, takich jak demencja.
„Mózg jest znacznie bardziej złożony niż jelita, ale to nauka w najlepszym wydaniu” – mówi Kleinfeld. „Zadajesz jedno pytanie, prowadzi cię ono gdzie indziej, rozwiązujesz problem, a potem wracasz do pierwotnego pytania”.
Badanie to podkreśla wzajemne powiązania naszych ciał i pokazuje, jak zrozumienie podstawowych zasad fizycznych może rozjaśnić złożone systemy biologiczne. Odkrycie tych wspólnych rytmów otwiera nowe możliwości badań nad zdrowiem mózgu i jelit oraz zapewnia świeży wgląd w to, w jaki sposób te ważne narządy komunikują się i wpływają na siebie nawzajem.
