肠道并非一根被动的管道。它会收缩、舒张，并以一种看似协调的节奏推动食物向前。但它是如何协调消化过程的呢？来自加州大学圣地亚哥分校的一个研究团队对此进行了研究。 他发现每个肠道都是一个具有自身频率的振荡器。 当频率相近时，它们会像阶梯一样依次锁定在一起。这种阶梯效应使得食物只能朝一个方向移动并充分混合。
我学习， 发表于 Arxiv始于大脑，终于肠道，旨在回答一个与人类历史一样古老的问题：生物系统是如何同步的？
当时钟彼此交谈时
自然界处处体现着同步性。两座悬挂在一起的落地钟最终会同时鸣响。萤火虫会同步闪烁。在大脑中，血管也会协调地扩张和收缩，以便将氧气输送到需要的地方。 大卫·科菲德，物理学家和神经生物学家加州圣地亚哥他注意到，当他对某个神经元施加外部刺激时，整个血管网络都会锁定在相同的频率上。但当他用不同的频率刺激两组神经元时，意想不到的事情发生了：一些血管锁定在一个频率上，另一些则锁定在另一个频率上。台阶就此形成。
为了理解这种现象，克莱因菲尔德寻找比复杂的大脑网络更简单的系统。 研究发现，肠道是理想的候选组织。单向的，频率从上部（小肠）到下部（结肠）呈梯度变化。正是这种梯度变化使得食物只能沿一个方向移动，从消化道的起始端到末端。
蠕动，消化的数学
和我的同事一起 Massimo Vergassola一位生命系统物理学专家，以及研究人员 玛丽·塞利耶-普罗诺 e 马西莫·琴奇尼该团队开发了一种应用于肠道的耦合振荡器数学模型。 肠道蠕动我们都知道的那种波浪式运动，是由肌肉的有节奏的收缩产生的。
肠道的每一部分都以自己的频率振动，但并非孤立地振动：它会与相邻的部分进行交流。
正如维加索拉解释的那样：
“这些耦合振荡器彼此通信。肠道的每一段都是一个振荡器，与相邻的肠段相互通信。通常情况下，它们是在频率相似的同质条件下进行研究的。而在我们的研究中，频率更加多样化，就像在肠道和大脑中一样。”
关键在于阶梯效应当频率足够接近时，它们会相互交错，形成阶梯状结构：一组肠段以相同的频率振荡，然后频率发生跳跃，另一组肠段以略微不同的频率振荡。这些阶梯状结构从肠道的起始端到末端依次进行，形成单向流动。
两个问题，一个答案
在此项研究之前，人们已知肠道内存在阶梯效应。先前的研究观察到，相似的频率会相互锁定，从而使食物产生节律性运动。但有三个关键问题仍未得到解答：阶梯的高度、同步部分的长度以及该现象发生的具体条件。 新的数学模型一举解决了所有问题。.
克莱因菲尔德说：“数学问题虽然已被大致解决，但并没有解释其中的步骤以及临界点上发生的情况。这是一项至关重要的发现。”
该方案同时解答了两个长期存在的生物学问题：食物如何在消化道中移动，以及食物在消化过程中如何混合。混合对于消化至关重要：它使酶能够接触到所有食物分子，并使肠黏膜能够高效地吸收营养物质。
从消化系统疾病到大脑
研究团队希望这项工作能够为进一步的研究提供支持。 胃肠动力障碍与肠蠕动改变相关的病理。当频率梯度功能紊乱时，可能会出现慢性便秘、肠易激综合征等问题，或在更严重的情况下，出现肠假性梗阻。 正如我们过去报道的那样了解生物系统的基本机制，为更有针对性的干预措施铺平了道路。
下一个目标？回到大脑。如果说肠道血管系统是单向的，只有简单的梯度，那么大脑血管系统则有数百个不同的方向。大脑中的神经递质沿着多条长度不一的路径同时流动。“大脑比肠道复杂得多，但这正是科学的精髓所在，”克莱因菲尔德总结道。
“你提出一个问题，它会把你引向另一个方向，你解决了那个问题，然后你再回到最初的问题。”
这项研究由以下机构资助： 美国国立卫生研究院大脑计划 这项研究汇集了来自美国、法国和意大利三个国家的研究人员。研究领域涵盖理论物理、应用生物学，并涉及振荡器的数学原理。
这种研究乍一看似乎很抽象，但当你意识到我们讨论的是你每天的消化过程时，一切就变得简单了。
