Наши тела функционируют посредством постоянных, ритмичных процессов, таких как дыхание и ночное очищение мозга. Теперь ученые обнаружили, что фундаментальные ритмы как в мозге, так и в кишечнике работают на основе удивительно похожих физических принципов, что потенциально может изменить наше понимание обеих систем.
Параллельная физика в мозге и кишечнике
Те же самые колебательные паттерны, которые управляют пищеварением — продвижением пищи через пищеварительную систему — также встречаются в кровеносных сосудах мозга. Эти паттерны помогают регулировать приток кислорода и питательных веществ к мозгу по мере необходимости. Это замечательное открытие подчеркивает общую физическую основу, лежащую в основе кажущихся различными биологических процессов.
Моделирование ритмов кишечника как отправная точка
Исследования, проведенные международной группой, начались со стремления понять, как кровеносные сосуды мозга контролируют ритмические изменения кровотока, процесс, известный как кортикальная вазомоция. Чтобы справиться с этой сложной задачей, ученые сначала сосредоточились на более простой системе: кишечной перистальтике. Благодаря использованию предыдущих исследований, команда разработала более полную математическую модель — модель Гинзбурга-Ландау (GL) — для представления ритмов и волн, вовлеченных в процесс.
Исследователи испытали свою обновленную модель, чтобы увидеть, сможет ли она воспроизвести колебательные паттерны, наблюдаемые в кишечнике кошек. Это успешно получилось, продемонстрировав точность модели.
Понимание связанных колебаний
Одним из ключевых результатов математического подхода является способность объяснять, как близлежащие колебания могут синхронизироваться или «связываться» друг с другом. Исследование выявило критические пороговые значения: когда колебания будут синхронизироваться, а когда нет. Это объясняет паттерны в пищеварительной системе и удивительно, показывает сходство в том, как функционируют нейроны мозга.
«Связанные осцилляторы общаются друг с другом, и каждый участок кишечника является осциллятором, взаимодействующим с соседними участками», — объясняет физик Массимо Вергассола из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Традиционно связанные осцилляторы изучаются в однородной среде, где все осцилляторы имеют примерно одинаковую частоту. В нашем случае частоты были более разнообразными — как в кишечнике, так и в мозге».
Значительные различия остаются
Важно отметить, что мозг и кишечник по-прежнему являются принципиально разными системами. Кишечник функционирует как односторонний путь для пищи, в то время как кровеносные сосуды в мозге образуют сложную сеть, позволяющую направлять поток в нескольких направлениях.
Последствия для психического здоровья и неврологических расстройств
Хотя исследование демонстрирует схожее поведение, а не прямую связь, оно имеет значительный потенциал. Понимая эти общие ритмы, ученые могут получить представление о пульсациях мозга и кишечника, которые могут сигнализировать о сдвигах в психическом здоровье или даже прогнозировать возникновение неврологических состояний, таких как деменция.
«Мозг намного сложнее, чем кишечник, но это наука в лучшем виде», — говорит Кляйнфельд. «Вы задаете один вопрос, он приводит вас куда-то еще, вы решаете эту проблему, а затем возвращаетесь к своему первоначальному вопросу».
Это исследование подчеркивает взаимосвязанность наших тел и показывает, как понимание фундаментальных физических принципов может прояснить сложные биологические системы. Открытие этих общих ритмов открывает новые возможности для исследования здоровья мозга и кишечника и предлагает свежий взгляд на то, как эти жизненно важные органы общаются и влияют друг на друга.
