סנכרון שופע בטבע: מהאורות המהבהבים של גחליליות ועד לתנועת דגים המתפתלים באוקיינוס, מערכות ביולוגיות נמצאות לעתים קרובות בתנועה קצבית זו עם זו. המכניקה של אופן הסנכרון הזה מורכבת.
לדוגמה, בכלי הדם של המוח, כלי הדם מתנודדים, מתרחבים ומתכווצים לפי הצורך. כאשר יש פעילות עצבית, העורקים מתרחבים כדי להגביר את זרימת הדם, החמצן וחומרי הזנה. תנודות אלו מתקיימות בעצמן, אך העורקים פועלים גם יחד זה עם זה. איך זה קורה לא מובן היטב.
כדי לחשוף את התשובה, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו הסתכלו על חלק אחר בגוף: המעי. כאן הם גילו שמתנדים הפועלים בתדרים דומים ננעלים זה בזה ברצף ויוצרים אפקט של מדרגות. העבודה שלהם מופיעה ב מכתבי סקירה פיזית.
ביולוגיה מסונכרנת
ידוע בקהילה המדעית שאם יש לך תנודה מתמשכת, כמו עורק, ואתה מוסיף גירוי חיצוני בתדר דומה אך לא זהה, אתה יכול לנעול את השניים, כלומר אתה יכול להעביר את התדירות של המתנד לזה של הגירוי החיצוני. למעשה, הוכח שאם תחבר שני שעונים, הם בסופו של דבר יסנכרנו את התקתוק שלהם.
פרופסור נכבד לפיזיקה ונוירוביולוגיה דייוויד קליינפלד גילה שאם יפעיל גירוי חיצוני על נוירון, כל כלי הדם יינעל באותה תדירות. עם זאת, אם הוא גירוי שתי קבוצות של נוירונים בשני תדרים שונים, משהו בלתי צפוי קרה: חלק מהעורקים יינעלו בתדר אחד ואחרים יינעלו בתדר אחר, ויצרו אפקט של מדרגות.
בחיפוש אחר הסבר, גייס קליינפלד את עזרתו של עמיתו, פרופסור לפיזיקה Massimo Vergassola, המתמחה בהבנת הפיזיקה של מערכות חיים, ולאחר מכן גייס את הסטודנטית לתואר שני ב-Ecole Normale Supérieure, Marie Sellier-Prono, וחוקרת בכירה במכון למערכות מורכבות, Massimo Cencini. יחד, החוקרים מצאו שהם יכולים להשתמש במודל קלאסי של מתנדים מצמדים עם טוויסט מעי.
המעי מתנודד באופן טבעי עקב פריסטלטיקה – כיווץ והרפיה של שרירים במערכת העיכול – וסיפק מודל פשוט על פני הרשת המורכבת של כלי הדם במוח. המעי הוא חד כיווני, כלומר התדרים עוברים בכיוון אחד בשיפוע מגבוה לנמוך יותר. זה מה שמאפשר למזון לנוע בכיוון אחד מתחילת המעי הדק לסוף המעי הגס.
מתנדים מצמדים מדברים זה עם זה וכל חלק במעי הוא מתנד שמדבר עם החלקים האחרים בקרבתו. בדרך כלל, מתנדים מצמודים נחקרים בסביבה הומוגנית, כלומר כל המתנדים נמצאים בתדרים דומים פחות או יותר. במקרה שלנו, המתנדים היו מגוונים יותר, בדיוק כמו במעי ובמוח".
מאסימו ורגאסולה, פרופסור לפיזיקה
בחקר המתנדים המזוהים במעיים, חוקרים בעבר הבחינו כי אכן קיים אפקט של מדרגות שבו תדרים דומים ננעלים על הסובבים אותו, ומאפשרים תנועה קצבית של מזון דרך מערכת העיכול. אבל גובה העליות או השברים, אורך מסלולי המדרגות או התדרים, והתנאים שבהם התרחשה תופעת המדרגות – מאפיינים חיוניים של מערכות ביולוגיות – היה דבר שלא נקבע עד כה.
השוואה בין פריסטלטיקה ניסויית ונתוני הדוגמנות. (משמאל) עיגולים הם תקופת התנודות שנרשמה במעי השלם, בעוד גרם המדרגות האפור מתקבל מהדגם. (מימין) המבנה של שלושה מסלולי זמן של התנודות.
הפתרון המתמטי החדש הזה עונה על שתי שאלות ביולוגיות ארוכות בו-זמנית: איך המזון עובר דרך מערכת העיכול ואיך הוא מתנפח. הצוות מקווה שעבודה זו תתמוך במחקר נוסף על בעיות בריאות עיכול הקשורות לפריסטלטיקה הידועות כהפרעות תנועתיות במערכת העיכול.
"המתמטיקה נפתרה בצורה משוערת לפני כן, אבל לא בצורה שנתנה לך את ההפסקות האלה ואת מה שקורה בהפסקות. זו תגלית קריטית", קבע קליינפלד.
כעת, לאחר שהם פתרו את שאלת התנודות במעיים, הם חזרו לחקור את כלי הדם המורכבים של המוח. אם המעי הוא חד כיווני, לכלי הדם במוח יש מאות כיוונים. בעוד ששניהם כוללים גרמי מדרגות, זה שבמעיים עובר ממפלס אחד למשנהו, אחד בכל פעם. המדרגות במוח עוברות בשבילים שונים באורכים שונים בבת אחת.
"המוח מסובך לאין שיעור מהמעיים, אבל זה מדע במיטבו", אמר קליינפלד. "אתה שואל שאלה אחת, היא מובילה אותך למקום אחר, אתה פותר את הבעיה הזו, ואז חוזר לשאלה המקורית שלך."
בין המחברים ניתן למנות את דיוויד קליינפלד ומאסימו ורגאסולה (שניהם UC San Diego), מארי סלייה-פרונו (Ecole Normale Supérieure) ומאסימו Cencini (המכון למערכות מורכבות באיטליה).
מימון מסופק על ידי יוזמת המכון הלאומי לבריאות BRAIN (U19 NS123717 ו-U19 NS137920).
