غالبًا ما توجد الشبكات المحلقة في الطبيعة - على سبيل المثال ، في عروق أوراق اللبخ المقدسضع في اعتبارك الأنماط المتفرعة الدقيقة على ورقة شجرة أو جناح اليعسوب ، وسترى شبكات معقدة تتكون من حلقات متداخلة. يمكن العثور على هذه الأنماط في كل مكان سواء في الطبيعة أو في الهياكل التي من صنع الإنسان: في الأوعية الدموية في الدماغ ، في الأفطورة ، في الشكل المعقد لمخاط التغذية ، وفي الفروع المعدنية لبرج إيفل.
بنية الشبكة بما في ذلك الحلقات - مثل شبكات الكمبيوتر الزائدة أو الشبكات الكهربائية - تجعلها مقاومة للتلف. يشير
مارسيلو ماجناسكو ، الفيزيائي في جامعة روكفلر ، إلى أن برج إيفل هو مثال واضح على بناء حلقة مصممة لتوزيع الحمل بالتساوي قدر الإمكان عبر إطاره العودي. والمثير للدهشة أننا لا نعرف سوى القليل عن سبب تنظيم شبكات وريد الأوراق أو الأوعية الدموية القشرية بنفس الطريقة.
تجعل شباك الحلقات في أجنحة اليعسوب مقاومة للتلفيقول Magnasco عن أنظمة الدورة الدموية البسيطة: "مما يثير اشمئزازنا أننا نعرف الكثير عن فيزياء المركبات بين الكيانات". - ومع ذلك ، نحن لا نفهم النظام ككل. لا نعرف لماذا يبدون هكذا أو لماذا تختلف كل شجرة عن البقية. "
على مدى السنوات القليلة الماضية ، بدأ Magnasco وعلماء آخرون استكشاف سبب شيوع هذه الأنماط في الطبيعة. أكدت دراسات على إمداد الأوراق والدم إلى الدماغ أن الحلقات المتداخلة تخلق بنية مقاومة للتلف يمكن أن تتكيف مع تقلبات تدفق السوائل. بدأ العلماء الآن في تقييم خصائص هذه الشبكات رقميًا ، والحصول على فكرة عن خصائصها الرئيسية ، مثل الاستقرار ، وكذلك فهم كيفية مقارنة هذه الشبكات بأكبر قدر ممكن من المعلومات.
تقول
إيليني كاتيفوري ،
عالمة الفيزياء في معهد ماكس بلانك للديناميات والتنظيم الذاتي ، والتي تعمل مع
ماجناسكو : "إن النباتات أنظمة رائعة للبحث الفيزيائي لأنها جميلة رياضيًا". وفقًا لها ، تنمو النباتات بشكل متكرر وتظهر غالبًا بنية مماثلة للبلورات ، والتي يمكن العثور عليها في أمثلة مثل المخاريط أو زهرة عباد الشمس. "نأمل من خلال فهم بنية الوريد ، أن نفهم بشكل أفضل فعالية التمثيل الضوئي للنباتات."
يمكن لفهم بنية الأوردة أن يسلط الضوء على نظام الدورة الدموية الأكثر تعقيدًا لسطح الدماغ ، ويساعد على فهم العلاقة بين نشاط الدماغ وتدفق الدم. هذا الاتصال ليس واضحًا بعد ، ولكن بفضله ، من الممكن إجراء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، وهي واحدة من أكثر الأساليب شيوعًا للحصول على صور الدماغ.
يمكن أن يساعد تصنيف هذه الشبكات في تحديد أجزاء الدماغ المعرضة بشكل خاص للسكتات الدماغية ، بالإضافة إلى فهم دور تدفق الدم في مرض الزهايمر وغيرها من الأمراض المعرفية. يقول
ديفيد بواس ، الفيزيائي في مستشفى ماساتشوستس في بوسطن: "تخيل كيف ننظر إلى دماغ مريض ونحاول تحديد ما إذا كان أي من هذه المعايير الأساسية قد تغير وكيف يمكن أن يكون ذلك مرتبطًا بتطور المرض".
Slarum polycephalum slug يشكل شبكات دائرية عند البحث عن الطعامنظرًا لأن أنظمة الدورة الدموية يمكن تمثيلها كشبكة من الأنابيب المتصلة ، ويمكن حساب تدفقات السوائل بفضل المعادلات المعروفة منذ فترة طويلة ، يمكن للفيزيائيين بسهولة نمذجة شبكات بسيطة مثل الأوردة على أوراق الشجرة. من خلال دراسة هذه الأنظمة ، تأمل Magnasco في فهم سبب امتلاك الأوردة لمثل هذا الحجم وزوايا الاتصال هذه ، وكيف تعمل الهياكل ذات المقاييس المختلفة معًا في الشبكة.
يقول Magnasco أنه يمكن بعد ذلك تطبيق طرق تحليل الشبكات التي يسهل تصورها على الشبكات البيولوجية التي يصعب تصميمها - على سبيل المثال ، على شبكات الويب للتفاعلات الجينية والبروتينية ، أو على الشبكات العصبية للدماغ. تقول Magnasco أن الأوراق هي "هدف جيد للبحث لأنه ليس لديها صعوبات متأصلة في الشبكات الأخرى".
كيفية بناء ورقة
عندما يصبح من الضروري بناء شبكة فعالة ، يحتاج التطور إلى النظر في عاملين: تكلفة البناء وتكلفة تشغيل الشبكة. في حالة الأوعية ، هذا يعني تكلفة إنشاء الأوردة وضخ السوائل من خلالها. أرخصها هو العمل مع بنية شجرة بسيطة ، والتي يمكن العثور عليها في النباتات القديمة. هذه البنية ، على الرغم من فعاليتها ، ليست مستقرة للغاية. في حالة تلف الاتصال ،
يعاني جزء من النظام
من فقدان السوائل ويموت .
لفهم طوبولوجيا العمارة الوريدية ، قام كاتيفوري وماغناسكو ببناء نموذج شبكة بسيط ، في محاولة
لمعرفة خصائصه الأساسية . قاموا بنمذجة الأوردة (xylem) في شكل شبكة من الأنابيب بضغوط وتدفقات مختلفة. حاولوا الإجابة على السؤال ، كيف ، مع عدد محدود من الأنابيب ، يجب توزيعها لتقليل انخفاض الضغط وجعل النظام مقاومًا للضرر قدر الإمكان؟ يقول كاتيفوري ، في العالم الحقيقي ، "الورقة التي قضت منها الحشرة تستمر في العمل".
ووجدوا أن بنية الحلقات المتداخلة هرميًا - أي الحلقات داخل الحلقات داخل الحلقات - هي أكثر مقاومة للتلف من غيرها. يقول كاتيفوري: "تضيف الحلقات التكرار إلى الشبكة". "في حالة حدوث ضرر ، يمكن إعادة توجيه المياه من خلال قنوات أخرى." تبدو الهياكل التي تم الحصول عليها بواسطة النموذج
المنشور في مجلة PLoS ONE متشابهة جدًا مع بعض الأوراق.
الأوعية الدموية على سطح القشرة من القوارض من الشبكات الدائرية ، مما يسمح للدم بالوصول بسرعة إلى أي منطقة حتى بعد حدوث تلف طفيفساعدت اللقطات المذهلة للسوائل الفلورية المتدفقة على الأوراق التالفة الباحثين في وصف كمية تدفق المياه حول موقع الضرر. لا يمكن لورقة نبات الجنكة (Ginkgo bilŏba) ، وهو نبات قديم تطوري له بنية شبيهة بالأشجار بدلاً من هيكل حلقة ، أن يتباهى بمثل هذا التحمل.
ووجد الباحثون أيضًا أن الشبكات المدارية تتعامل بشكل أفضل مع التقلبات في تداول السوائل مع تغير الظروف البيئية.
يقوم كاتيفوري ومغناسكو الآن بتصميم شبكات حلقات متكيفة تتطور استجابة للظروف المتغيرة. يمكن أن تحدث هذه العمليات في الفطريات ، وبعض أنواع العفن ، وحتى في الدورة الدموية النامية للحيوانات. على سبيل المثال ، يتغير شكل المخاط الذي يبحث عن الطعام باستمرار ، ويمد الأصابع الطويلة ، غالبًا في شكل شبكات مثقبة. في إحدى التجارب المدهشة ،
نما الباحثون اليابانيون
مخاطًا على سطح مليء بدقيق الشوفان المنتشر حول مدن حول طوكيو. ونتيجة لذلك ، ينمو الوحل إلى شبكة حلقات تشبه نظام السكك الحديدية في المدينة بكفاءة.
تعليم الأوعية الدموية
الدورة الدموية الفعالة ضرورية لعمل الدماغ ، الذي ليس لديه آليات للحفاظ على الطاقة: يجب تغذية الخلايا العصبية النشطة كهربائيا بسرعة. ونتيجة لذلك ، يشارك الدماغ في التنظيم الدقيق لتدفق الدم ويزيد من توصيل الدم إلى المناطق المحتاجة. يقول
برونو ويبر ، عالم الأعصاب في جامعة زيوريخ: "هذا التعديل الدقيق لتدفق الدم محلي للغاية ، وأصغر بكثير من أبعاد المليمتر".
قبل أكثر من عقد من الزمان ،
وجد دافييد كلينفيلد ، عالم الفيزياء وعلم الأعصاب في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، وزملاؤه أنهم كانوا قادرين على تتبع الدورة الدموية في الشعيرات الدموية الفردية للدماغ القوارض. ووجد الباحثون أن تدفق الدم يغير الاتجاه في بعض الأحيان ، وهو ما يتكلم لصالح بنية الأوعية الدموية. يقول كلينفيلد: "كان هناك تلميح إلى أن نظام الدورة الدموية سيكون أكثر إثارة للاهتمام مما كنت أعتقد في البداية".
على خريطة الأوعية الدموية في القشرة الدماغية للقوارض ، تظهر حلقة الشبكة. يُلاحظ أيضًا أن بنية الأوعية الدموية لا تتوافق مع التشريح العصبي (المخاريط الصفراء والبرتقالية)قبل بضع سنوات ، اكتشف فريق كلاينفيلد أن نظام الدورة الدموية السطحي للقشرة الحسية الجسدية ، وهو جزء من الدماغ ينشط عندما يستخدم الحيوان شاربًا للتوجيه في الفضاء ، منظم على شكل
حلقات مترابطة عشوائيًا . هذا يسمح للدم بالاقتراب من منطقة معينة من جميع الاتجاهات ، مما يمنح الخلايا العصبية التغذية اللازمة. يقول كلاينفيلد: "إذا كانت الحلقات متصلة عشوائياً بشبكة ثنائية الأبعاد ، فإن الدم يمكن أن يقترب شعاعياً من المنطقة النشطة كهربائياً".
في عام 2010 ،
حدد الباحثون
شبكة من السفن التي تغطي سطح
القشرة المخية الحديثة في الجرذان والفئران ، وهي الطبقة الخارجية للقشرة الدماغية. يقول كلينفيلد: "شككتنا في أنها شكلت شبكة متداخلة ، لذا ملأنا نظام الدورة الدموية وميزنا السطح". "شكلت معظم السفن بنية حلقة." اشتبه العلماء في أن الشبكة لديها مستوى من التكرار ، لكن فريق كلاينفيلد وصل إلى مستوى جديد من التفاصيل. يقول كلينفيلد: "كنا أول من وضع علامة على كل شيء واقتربنا من الهيكل - لوصف الشبكة رقميًا واستخدامها لحساب التدفقات".
دلتا دلتا الغانج تشكل شبكة حلقات معقدةاستخدم الباحثون بطاقة الاتصال هذه لمحاكاة موقف يتم فيه حظر سفينة واحدة في الشبكة. في كل من النموذج والدماغ الحقيقي ، لم يكن لحظر الوعاء في شبكة ثنائية الأبعاد تأثير معين. يتدفق الدم ببساطة عبر الأوعية الأخرى. هذه النتيجة مدعومة بالممارسة السريرية: لا تحدث السكتات الدماغية على سطح الدماغ. يقول كلاينفيلد: "نعتقد أن هذا لأنه يعمل بهذه الطريقة".
ثم ذهب كلاينفيلد وزملاؤه إلى أعماق الدماغ ، ودرسوا شبكة الأوعية الدموية التي تغذي الخلايا العصبية في القشرة الحسية الجسدية. في
ورقة نشرت في مجلة Nature Neuroscience ، أظهر الباحثون أن الشعيرات الدموية تشكل شبكة مستمرة. يقول كلينفيلد: "هذا يعني أن الميكروفيلاس والشعيرات الدموية مترابطة فيما بينها". "لا توجد مواقع تحتوي على سفن معزولة ، أي قرى ريفية مغلقة ، إذا كنت تستخدم القياس مع العقارات".
استخدم الباحثون نهجًا للآليات الإحصائية يسمى "نظرية الرسم البياني" لمعرفة لماذا تشكل الأوعية شبكات تتلاقى فيها ثلاث حواف بالضبط في كل قمة - وقد لوحظ ذلك مسبقًا في المختبر (تلعب الأوعية دور الحواف). أظهر زميل كلينفيلد ، عالم الفيزياء هاري سوهل من جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، أن هذا المخطط قوي بشكل خاص. يقول كلينفيلد: "خصوصًا بالمقارنة مع الرسوم البيانية حيث لا يتم إصلاح عدد الحواف في الأعلى ، كما هو الحال على الإنترنت".
كما هو الحال في الشبكة السطحية ، لا يؤثر حجب تدفق الدم في الشعيرات الدموية عمليًا على تشغيل الشبكة - فالدم ببساطة يذهب بطريقة مختلفة. ومع ذلك ، يحدث انسداد الوعاء المخترق من سطح القشرة الدماغية مع عواقب وخيمة. يتم حظر تدفق الدم ، ويموت أنسجة المخ المحيطة. يتم حظر الأوعية المخترقة لأنها لا تشكل حلقات ، لكن كلاينفيلد يشتبه في أن الهندسة المعمارية توفر طرقًا فعالة لإعادة توزيع الدم على طول مسارات معينة في الدماغ.
تم العثور على شبكات التكرار أيضًا في الحيوانات البحرية ، على سبيل المثال ، في هذا المرجان الجورجيما يعنيه هذا سريريا ليس واضحا بعد. لا يبلغ علماء الأعصاب عن السكتات الدماغية التي حدثت بسبب انسداد الأوعية المخترقة ، ولكن هذا فقط لأن الأوعية صغيرة جدًا بحيث لا يمكن فحصها باستخدام أجهزة التصوير التقليدية ، ومن غير المحتمل أنها وحدها يمكن أن تسبب الأعراض. ومع ذلك ، يقول
جيرت جان بيسيلز ، عالم الأعصاب في المركز الطبي الجامعي في أوتريخت ، أن تقنيات تصوير الدماغ الجديدة والأكثر قوة تجعل من الممكن اكتشاف آفات صغيرة جدًا ، على الرغم من عدم الحصول على هذا الإذن ، لرؤية الأوعية المخترقة الفردية . ويضيف أن بيانات تشريح الجثة تظهر أن مثل هذه الميكروستوكس "يمكن أن تكون علامة مهمة على التدهور المعرفي والخرف قبل الوفاة بعدة سنوات".
حلقات في الدماغ
بعد الحصول على أدوات جديدة لتحديد نظام الدورة الدموية في الدماغ ، يخطط فريق Kleinfield لدراسة كيفية اختلاف نظام الدورة الدموية في الدماغ في القوارض مع طفرات معينة ، أو من أنواع أخرى. يقول كلينفيلد: "الآن يمكننا أن نبدأ بدراسة أنظمة الدورة الدموية المختلفة وتحديد سبب ظهورها كما هي".
تكشف
دراسة أولية على الفئران التي لا تحتوي على بروتين ، وهي المسؤولة عن التعرف على الأكسجين ، عن هياكل متغيرة بشكل جذري: على عكس الحيوانات العادية ، لا تمتلك الفئران الطافرة شبكة ثنائية الأبعاد من الأوعية على سطح الدماغ. يقول كلينفيلد: "لا يوجد سوى هيكل ثلاثي الأبعاد". "إنها مثل
آلة روب غولدبيرغ ، التي تتكون من أنابيب صغيرة."
يعمل ويبر وكلينفيلد معًا في مشروع لتمييز نظام الدورة الدموية بأكمله في دماغ الفأر ، بتمويل من المشروع الأوروبي "
مشروع الدماغ البشري " [
مشروع الدماغ البشري ]. يقول ويبر إن هذه الخريطة ستسمح ببناء نماذج أكثر دقة وتوفر الأساس لتحقيق هدف بناء خريطة دماغية كاملة. سيسمح أيضًا للباحثين بمعرفة ما إذا كانت أجزاء معينة من الدماغ عرضة للسكتات الدماغية (على سبيل المثال ،
المخطط ، الذي يخطط للنشاط الحركي) بسبب العلاقة الضعيفة لنظام الدورة الدموية.
بدأ الباحثون أيضًا في دراسة أنظمة الدورة الدموية لأجزاء أخرى من الجسم. يقول لانس مون ، عالم الأحياء في مستشفى ماساتشوستس العام ، أن معظم الأنسجة تظهر تكرارًا كبيرًا في شكل حلقات. "على سبيل المثال ، في الجلد ، توفر هذه الحلقات مسارات بديلة للدم في حالة حدوث ضرر - يمكن للدم أن" يدور "حول المنطقة للوصول إلى الأنسجة الموجودة" أسفل مجرى "الأوعية التالفة" ، كما يقول. يدرس مان خصائص الأوعية الدموية في الأورام التي تنمو فيها شبكة متطورة من الأوعية التي تغذي الأنسجة السرطانية. فئة شعبية من الأدوية ،
مثبطات الأوعية الدموية ، توقف نمو الأورام ، وتتدخل في تكوين أوعية جديدة.
يستخدم Kleinfield أدوات مصممة لدراسة دوائر الدم لدراسة الشبكات العصبية في
جذع الدماغ ، مثل الحلقات الحسية الحركية التي تتحكم في حركة الشوارب في الفئران والحصول على المعلومات. على الرغم من أن "أنظمة الدورة الدموية نفسها مثيرة للاهتمام" ، كما يقول كلاينفيلد ، فإنها تعمل أيضًا كإحماء لدراسة الجهاز العصبي.