Наше тіло функціонує завдяки постійним, ритмічним процесам, таким як дихання та нічне очищення мозку. Тепер вчені виявили, що фундаментальні ритми як у мозку, так і в кишечнику діють на надзвичайно схожих фізичних принципах, потенційно змінюючи наше розуміння обох систем.
Паралельна фізика в мозку та кишечнику
Ті самі коливальні моделі, які контролюють травлення — рух їжі через травну систему — також відбуваються в кровоносних судинах мозку. Ці моделі допомагають регулювати надходження кисню та поживних речовин до мозку за потреби. Це видатне відкриття підкреслює спільну фізичну основу, що лежить в основі, здавалося б, різних біологічних процесів.
Моделювання кишкових ритмів як відправна точка
Дослідження, проведене міжнародною командою, почалося з пошуку того, як кровоносні судини мозку контролюють ритмічні зміни кровотоку, процес, відомий як кортикальна вазомоція. Щоб подолати цю проблему, вчені спочатку зосередилися на простішій системі: перистальтиці кишечника. Використовуючи попередні дослідження, команда розробила більш повну математичну модель — модель Гінзбурга-Ландау (GL) — для представлення ритмів і хвиль, залучених до процесу.
Дослідники протестували свою оновлену модель, щоб побачити, чи може вона відтворити коливальні патерни, що спостерігаються в кишечнику кішок. Це вдалося, продемонструвавши точність моделі.
Розуміння сполучених вібрацій
Одним із ключових результатів математичного підходу є можливість пояснити, як сусідні вібрації можуть синхронізуватися або «з’єднуватися» один з одним. Дослідження визначило критичні пороги, коли коливання будуть синхронізуватися, а коли ні. Це пояснює закономірності в травній системі і несподівано показує схожість у тому, як функціонують нейрони в мозку.
«Під’єднані осцилятори взаємодіють один з одним, і кожен відділ кишечника є осцилятором, який взаємодіє з сусідніми відділами», — пояснює фізик Массімо Вергассола з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. “Традиційно пов’язані осцилятори вивчаються в однорідному середовищі, де всі осцилятори мають приблизно однакову частоту. У нашому випадку частоти були більш різноманітними, як у кишечнику, так і в мозку”.
Істотні відмінності залишаються
Важливо відзначити, що мозок і кишечник все ще є принципово різними системами. Кишечник функціонує як односторонній прохід для їжі, тоді як кровоносні судини в мозку утворюють складну мережу, що забезпечує потік у багатьох напрямках.
Вплив на психічне здоров’я та неврологічні розлади
Хоча дослідження показує схожу поведінку, а не прямий зв’язок, воно має значний потенціал. Розуміючи ці загальні ритми, вчені можуть отримати уявлення про пульсації в мозку та кишечнику, які можуть сигналізувати про зміни в психічному здоров’ї або навіть передбачити настання таких неврологічних станів, як деменція.
«Мозок набагато складніший, ніж кишечник, але це наука в її найкращому вигляді», — каже Кляйнфельд. «Ви задаєте одне запитання, воно веде вас кудись ще, ви вирішуєте цю проблему, а потім повертаєтеся до свого початкового запитання».
Це дослідження підкреслює взаємозв’язок наших тіл і показує, як розуміння фундаментальних фізичних принципів може просвітити складні біологічні системи. Виявлення цих спільних ритмів відкриває нові шляхи для дослідження здоров’я мозку та кишківника, а також дає нове розуміння того, як ці життєво важливі органи спілкуються та впливають один на одного.
