Der Darm ist kein passiver Schlauch. Er zieht sich zusammen, entspannt sich und befördert die Nahrung in einem scheinbar orchestrierten Rhythmus weiter. Doch wie koordiniert er die Verdauung? Ein Team der University of California, San Diego, hat dies untersucht. Er entdeckte, dass jeder Darmabschnitt ein Oszillator mit eigener Frequenz ist. Wenn die Frequenzen ähnlich sind, synchronisieren sie sich nacheinander wie Stufen. Dieser Treppeneffekt sorgt dafür, dass sich die Nahrung nur in eine Richtung bewegt und optimal vermischt wird.
Ich studiere, veröffentlicht auf ArxivEs beginnt im Gehirn, endet aber im Darm, um eine Frage zu beantworten, die so alt ist wie die Menschheit selbst: Wie synchronisieren sich biologische Systeme?
Wenn Uhren miteinander sprechen
Synchronisation ist in der Natur allgegenwärtig. Zwei dicht beieinander hängende Standuhren schlagen im Gleichklang. Glühwürmchen leuchten synchron auf. Im Gehirn dehnen und ziehen sich die Blutgefäße koordiniert zusammen, um Sauerstoff dorthin zu transportieren, wo er benötigt wird. David Kleinfeld, Physiker und Neurobiologe derUC San DiegoEr hatte beobachtet, dass sich das gesamte Gefäßnetzwerk auf dieselbe Frequenz synchronisierte, sobald er einen externen Reiz auf ein Neuron ausübte. Als er jedoch zwei Gruppen von Neuronen mit unterschiedlichen Frequenzen stimulierte, geschah etwas Unerwartetes: Einige Gefäße synchronisierten sich mit der einen, andere mit der anderen Frequenz. Es bildeten sich Stufen.
Um das Phänomen zu verstehen, suchte Kleinfeld nach einem einfacheren System als dem komplexen Netzwerk des Gehirns. Der Darm erwies sich als der perfekte Kandidat.Die Bewegung verläuft unidirektional, mit einem Frequenzgradienten vom oberen (Dünndarm) zum unteren (Dickdarm). Genau dieser Gradient bewirkt, dass sich die Nahrung nur in eine Richtung bewegt, vom Anfang bis zum Ende des Verdauungstrakts.
Peristaltik, die Mathematik der Verdauung
Gemeinsam mit meinem Kollegen Massimo Vergassola, einem Experten für die Physik lebender Systeme, und Forschern Marie Sellier-Prono e Massimo CenciniDas Team entwickelte ein mathematisches Modell gekoppelter Oszillatoren, das auf den Darm angewendet wird. DarmperistaltikDiese wellenförmige Bewegung, die wir alle kennen, wird durch rhythmische Kontraktionen der Muskeln erzeugt.
Jeder Darmabschnitt schwingt mit seiner eigenen Frequenz, aber nicht isoliert: Er kommuniziert mit den benachbarten Abschnitten.
Wie Vergassola erklärt:
„Die gekoppelten Oszillatoren kommunizieren miteinander. Jeder Darmabschnitt ist ein Oszillator, der mit benachbarten Abschnitten in Verbindung steht. Normalerweise werden sie unter homogenen Bedingungen mit ähnlichen Frequenzen untersucht. In unserem Fall waren die Frequenzen jedoch, wie im Darm und im Gehirn, vielfältiger.“
Der entscheidende Punkt ist derTreppeneffektSind die Frequenzen ausreichend ähnlich, greifen sie ineinander und bilden Stufen: Eine Gruppe von Darmabschnitten schwingt mit derselben Frequenz, dann erfolgt ein Sprung, und eine andere Gruppe schwingt mit einer leicht abweichenden Frequenz. Diese Stufen folgen einander vom Anfang bis zum Ende des Darms und erzeugen so einen gerichteten Fluss.
Zwei Fragen, eine Antwort
Vor dieser Studie war bekannt, dass im Darm ein Treppeneffekt auftritt. Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass sich ähnliche Frequenzen synchronisieren und so die rhythmische Bewegung der Nahrung ermöglichen. Drei Schlüsselaspekte blieben jedoch ungeklärt: die Höhe der einzelnen Stufen, die Länge der synchronisierten Abschnitte und die genauen Bedingungen, unter denen dieses Phänomen auftritt. Das neue mathematische Modell löst alle Probleme auf einen Schlag..
„Die mathematischen Probleme waren zwar grob gelöst, aber nicht so, dass die einzelnen Schritte und die Vorgänge an den Bruchstellen erklärt wurden. Dies ist eine entscheidende Entdeckung“, sagte Kleinfeld.
Die Lösung beantwortet gleichzeitig zwei seit Langem bestehende biologische Fragen: Wie die Nahrung den Verdauungstrakt passiert und wie sie dabei vermischt wird. Die Vermischung ist für die Verdauung entscheidend: Sie ermöglicht es den Enzymen, alle Nahrungsmoleküle zu erreichen, und der Darmschleimhaut, Nährstoffe effizient aufzunehmen.
Von Verdauungsstörungen bis hin zum Gehirn
Das Team hofft, dass diese Arbeit weitere Forschungen zu diesem Thema unterstützen wird. gastrointestinale MotilitätsstörungenPathologien, die mit einer veränderten Peristaltik zusammenhängen. Bei einer Störung des Frequenzgradienten können Probleme wie chronische Verstopfung, Reizdarmsyndrom oder, in schwereren Fällen, intestinale Pseudoobstruktion auftreten. Wie wir bereits in der Vergangenheit berichtet habenDas Verständnis der grundlegenden Mechanismen biologischer Systeme ebnet den Weg für gezieltere Interventionen.
Das nächste Ziel? Zurück zum Gehirn. Während der Darm nur eine Richtung mit einem einfachen Gradienten aufweist, verläuft das Gefäßsystem des Gehirns in Hunderten von verschiedenen Richtungen. Die Signale im Gehirn folgen gleichzeitig mehreren Bahnen unterschiedlicher Länge. „Das Gehirn ist unendlich viel komplexer als der Darm, aber das ist Wissenschaft in ihrer besten Form“, schließt Kleinfeld.
„Man stellt eine Frage, sie führt einen woanders hin, man löst das Problem und kehrt dann zur ursprünglichen Frage zurück.“
Die Studie wurde finanziert von BRAIN-Initiative der National Institutes of Health An dem Projekt sind Forscher aus drei Ländern beteiligt: den USA, Frankreich und Italien. Die Arbeit erstreckt sich von der theoretischen Physik bis zur angewandten Biologie und umfasst auch die Mathematik von Oszillatoren.
Die Art von Forschung, die abstrakt erscheint, bis man sich daran erinnert, dass wir darüber sprechen, wie Ihre Verdauung jeden einzelnen Tag funktioniert.
