Die Kraft natürlicher Netzwerke liegt in Überschleifen

In der Natur finden sich häufig geschlungene Netzwerke - zum Beispiel in den Adern eines heiligen Ficusblattes

Betrachten Sie die subtilen Verzweigungsmuster auf einem Blatt eines Baumes oder dem Flügel einer Libelle, und Sie werden komplexe Netzwerke sehen, die aus verschachtelten Schleifen bestehen. Solche Muster finden sich überall sowohl in der Natur als auch in künstlichen Strukturen: im Gefäßsystem des Gehirns, im Myzel, in der komplizierten Form eines Fütterungsschleims und in den Metallästen des Eiffelturms.



Die Netzwerkarchitektur einschließlich Schleifen - wie redundante Computernetzwerke oder elektrische Netzwerke - macht sie widerstandsfähig gegen Beschädigungen. Marcelo Magnasco, Physiker an der Rockefeller University, weist darauf hin, dass der Eiffelturm ein offensichtliches Beispiel für eine Schleifenkonstruktion ist, mit der die Last so gleichmäßig wie möglich über den rekursiven Rahmen verteilt werden soll. Überraschenderweise wissen wir so wenig darüber, warum Blattvenennetzwerke oder kortikale Blutgefäße auf die gleiche Weise organisiert sind.


Schleifennetze in Libellenflügeln machen sie widerstandsfähig gegen Beschädigungen

„Zu unserem Ekel wissen wir viel über die Physik von Verbindungen zwischen Entitäten“, sagt Magnasco über einfache Kreislaufsysteme. - Und trotzdem verstehen wir das System als Ganzes nicht. Wir wissen nicht, warum sie so aussehen oder warum sich jeder Baum von den anderen unterscheidet. "

In den letzten Jahren haben Magnasco und andere Wissenschaftler begonnen, den Grund zu untersuchen, warum solche Muster in der Natur sehr häufig sind. Studien zur Blatt- und Blutversorgung des Gehirns haben bestätigt, dass verschachtelte Schleifen eine schädigungsresistente Struktur bilden, die Schwankungen im Flüssigkeitsfluss standhalten kann. Jetzt beginnen Wissenschaftler, die Eigenschaften dieser Netzwerke numerisch zu bewerten, sich ein Bild von ihren Hauptmerkmalen wie der Stabilität zu machen und zu verstehen, wie diese Netzwerke so informativ wie möglich verglichen werden können.

„Pflanzen sind beeindruckende Systeme für die physikalische Forschung, weil sie mathematisch schön sind“, sagt Eleni Katifori , Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, der mit Magnasco zusammenarbeitet. Ihrer Meinung nach wachsen die Pflanzen iterativ und weisen häufig eine kristallähnliche Struktur auf, die beispielsweise in Zapfen oder einer Blume einer Sonnenblume zu finden ist. "Wir hoffen, dass wir durch das Verständnis der Venenarchitektur die photosynthetische Wirksamkeit von Pflanzen besser verstehen."

Das Verständnis der Struktur der Venen kann Aufschluss über das viel komplexere Kreislaufsystem der Gehirnoberfläche geben und zum Verständnis der Beziehung zwischen Gehirnaktivität und Blutfluss beitragen. Dieser Zusammenhang ist noch nicht klar, aber dank ihm ist es möglich, eine funktionelle Magnetresonanztomographie durchzuführen, eine der beliebtesten Methoden zur Gewinnung von Gehirnbildern.

Die Kennzeichnung dieser Netzwerke kann dazu beitragen, Teile des Gehirns zu identifizieren, die besonders anfällig für Schlaganfälle sind, sowie die Rolle des Blutflusses bei der Alzheimer-Krankheit und anderen kognitiven Erkrankungen zu verstehen. „Stellen Sie sich vor, wie wir ein krankes Gehirn betrachten und versuchen festzustellen, ob sich einer dieser grundlegenden Parameter geändert hat und wie dies mit der Entwicklung der Krankheit zusammenhängen könnte“, sagt David Boas , Physiker am Massachusetts Hospital in Boston.


Physarum polycephalum slug bildet bei der Nahrungssuche geschlungene Netzwerke

Da Kreislaufsysteme als Netzwerk verbundener Röhren dargestellt werden können und Flüssigkeitsströme dank seit langem bekannter Gleichungen berechnet werden können, können Physiker solche einfachen Netzwerke wie Venen auf Baumblättern recht einfach modellieren. Durch die Untersuchung solcher Systeme hofft Magnasco zu verstehen, warum Venen eine solche Größe und solche Verbindungswinkel haben und wie Strukturen unterschiedlicher Skalen in einem Netzwerk zusammenarbeiten.

Laut Magnasco können Netzwerkanalysemethoden, die leicht zu visualisieren sind, dann auf biologische Netzwerke angewendet werden, die schwieriger zu modellieren sind - beispielsweise auf Web-Netzwerke von Gen- und Protein-Interaktionen oder auf neuronale Netzwerke des Gehirns. Blätter sind „ein gutes Forschungsobjekt, weil sie keine Schwierigkeiten mit anderen Netzwerken haben“, sagt Magnasco.

Wie man ein Blatt baut

Wenn ein effektives Netzwerk aufgebaut werden muss, muss die Evolution zwei Faktoren berücksichtigen: die Kosten für den Aufbau und die Kosten für den Netzwerkbetrieb. Bei Gefäßen bedeutet dies die Kosten für die Erzeugung von Venen und das Durchpumpen von Flüssigkeiten. Am billigsten ist es, mit einer einfachen Baumstruktur zu arbeiten, die in alten Pflanzen zu finden ist. Diese Struktur ist zwar effektiv, aber nicht sehr stabil. Wenn die Verbindung beschädigt ist, leidet ein Teil des Systems unter Flüssigkeitsverlust und stirbt ab .

Um die Topologie der Venenarchitektur zu verstehen, haben Katifori und Magnasco ein einfaches Netzwerkmodell erstellt, um die grundlegenden Eigenschaften herauszufinden . Sie modellierten Adern (Xylem) in Form eines Rohrnetzes mit unterschiedlichen Drücken und Strömungen. Sie versuchten die Frage zu beantworten, wie sie bei einer begrenzten Anzahl von Rohren verteilt werden sollten, um den Druckabfall zu minimieren und das System so widerstandsfähig wie möglich gegen Beschädigungen zu machen. In der realen Welt „funktioniert das Blatt, von dem das Insekt abgebissen hat, weiterhin“, sagt Katifori.

Sie fanden heraus, dass die Architektur hierarchisch verschachtelter Schleifen - dh Schleifen innerhalb von Schleifen innerhalb von Schleifen - widerstandsfähiger gegen Beschädigungen ist als andere. "Schleifen erhöhen die Redundanz des Netzwerks", sagt Katifori. "Im Falle einer Beschädigung kann Wasser durch andere Kanäle umgeleitet werden." Die Strukturen des in der Zeitschrift PLoS ONE veröffentlichten Modells sehen einigen Blättern sehr ähnlich.


Blutgefäße auf der Oberfläche der Kortikalis des Nagetiers bilden geschlungene Netzwerke, die es dem Blut ermöglichen, auch nach geringfügigen Schäden schnell in jeden Bereich zu gelangen

Erstaunliche Aufnahmen von fluoreszierender Flüssigkeit, die über beschädigte Blätter fließt, halfen den Forschern, quantitativ zu beschreiben, wie Wasser um die Schadensstelle fließt. Ein Blatt eines Ginkgo biloba (Ginkgo bilŏba), einer evolutionär alten Pflanze mit einer baumartigen statt einer Schleifenstruktur, kann sich einer solchen Ausdauer nicht rühmen.

Die Forscher fanden auch heraus, dass Schleifennetzwerke Schwankungen der Flüssigkeitszirkulation besser begegnen, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern.

Katifori und Mgnasco modellieren nun adaptive Schleifennetzwerke, die sich als Reaktion auf sich ändernde Bedingungen entwickeln. Solche Prozesse können bei Pilzen, einigen Arten von Schimmelpilzen und sogar im sich entwickelnden Kreislaufsystem von Tieren auftreten. Zum Beispiel ändert der Schleim auf der Suche nach Nahrung ständig seine Form, streckt lange Finger aus, oft in Form von geschlungenen Netzen. In einem erstaunlichen Experiment haben japanische Forscher einen Schleim auf einer Oberfläche gezüchtet, die mit Haferflocken übersät ist, die in Städten rund um Tokio verstreut sind. Infolgedessen wächst der Schleim zu einem Schleifennetz, das einem effizienten Stadtbahnsystem ähnelt.

Blutgefäßmarkierung

Eine effektive Durchblutung ist für die Funktion des Gehirns erforderlich, das keine Mechanismen zur Energieeinsparung besitzt: Elektrisch aktive Neuronen müssen schnell ernährt werden. Infolgedessen ist das Gehirn an der präzisen Regulierung des Blutflusses beteiligt und erhöht die Blutabgabe an bedürftige Bereiche. „Diese genaue Einstellung des Blutflusses ist sehr lokal und viel kleiner als Millimeter“, sagt Bruno Weber , Neurowissenschaftler an der Universität Zürich.

Vor mehr als zehn Jahren stellten Daffyd Kleinfield , Physiker und Neurowissenschaftler an der University of California in San Diego, und Kollegen fest, dass sie die Durchblutung einzelner Kapillaren des Nagetiergehirns verfolgen konnten. Sie fanden heraus, dass der Blutfluss manchmal die Richtung ändert, was für eine geschlungene Gefäßstruktur spricht. "Es gab einen Hinweis darauf, dass das Kreislaufsystem interessanter sein würde, als ich zuerst dachte", sagt Kleinfield.


Auf der Karte der Blutgefäße in der Großhirnrinde des Nagetiers ist die Netzwerkschleife sichtbar. Es ist auch ersichtlich, dass die Architektur der Blutgefäße nicht der Neuroanatomie entspricht (gelbe und orangefarbene Zapfen)

Vor einigen Jahren entdeckte das Kleinfield-Team, dass das oberflächliche Kreislaufsystem des somatosensorischen Kortex, der Teil des Gehirns, der aktiviert wird, wenn das Tier seinen Schnurrbart zur Orientierung im Raum verwendet, in Form zufällig angeordneter miteinander verbundener Schleifen organisiert ist . Dadurch kann sich das Blut aus allen Richtungen einem bestimmten Bereich nähern, wodurch die Neuronen die notwendige Nahrung erhalten. „Wenn die Schleifen zufällig zu einem zweidimensionalen Gitter verbunden sind, kann sich das Blut dem elektrisch aktiven Bereich radial nähern“, sagt Kleinfield.

Im Jahr 2010 markierten die Forscher ein Netzwerk von Gefäßen, die die Oberfläche des Neokortex bei Ratten und Mäusen, der äußeren Schicht der Großhirnrinde, bedeckten. „Wir hatten den Verdacht, dass es sich um ein Maschennetz handelt, also haben wir das Kreislaufsystem gefüllt und die Oberfläche markiert“, sagt Kleinfield. "Die meisten Schiffe bildeten eine Schleifenarchitektur." Wissenschaftler vermuteten, dass das Netzwerk einen gewissen Grad an Redundanz aufwies, aber das Kleinfield-Team erreichte einen neuen Detaillierungsgrad. „Wir waren die ersten, die das Ganze markiert haben und der Topologie nahe gekommen sind - um das Netzwerk numerisch zu beschreiben und es zur Berechnung von Flüssen zu verwenden“, sagt Kleinfield.


Ganges Delta bildet kompliziertes Looping-Netzwerk

Die Forscher verwendeten diese Konnektivitätskarte, um eine Situation zu simulieren, in der ein Schiff im Netzwerk blockiert ist. Sowohl im Modell als auch im realen Gehirn hatte das Blockieren eines Gefäßes in einem zweidimensionalen Gitter keinen besonderen Effekt. Blut fließt einfach durch andere Gefäße. Dieser Befund wird durch die klinische Praxis gestützt: Schlaganfälle treten niemals auf der Oberfläche des Gehirns auf. "Wir denken, das liegt daran, dass es so funktioniert", sagt Kleinfield.

Dann gingen Kleinfield und Kollegen in die Tiefen des Gehirns und untersuchten das Netzwerk von Blutgefäßen, die die Neuronen des somatosensorischen Kortex versorgen. In einem in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlichten Artikel zeigten Forscher, dass Kapillaren ein kontinuierliches Netzwerk bilden. „Dies bedeutet, dass Mikrogefäße, Kapillaren, miteinander verbunden sind“, sagt Kleinfield. "Es gibt keine Standorte mit isolierten Schiffen, dh geschlossenen Häuschendörfern, wenn man die Analogie mit Immobilien verwendet."

Die Forscher verwendeten einen Ansatz für statistische Mechanismen, der als „Graphentheorie“ bezeichnet wird, um herauszufinden, warum Gefäße Netzwerke bilden, in denen genau drei Kanten an jedem Scheitelpunkt zusammenlaufen - dies wurde zuvor im Labor beobachtet (Gefäße spielen die Rolle von Kanten). Kleinfields Kollege, der Physiker Harry Suhl von der University of California in San Diego, hat gezeigt, dass dieses Schema besonders robust ist. „Besonders im Vergleich zu Grafiken, bei denen die Anzahl der Kanten nach oben nicht festgelegt ist, wie dies im Internet der Fall ist“, sagt Kleinfield.

Wie im Fall des Oberflächennetzwerks wirkt sich die Blockierung des Blutflusses in den Kapillaren praktisch nicht auf den Betrieb des Netzwerks aus - das Blut geht einfach einen anderen Weg. Das Blockieren eines durchdringenden Gefäßes von der Oberfläche der Kortikalis zum Gehirn hat jedoch schwerwiegende Folgen. Der Blutfluss wird blockiert und das umgebende Gehirngewebe stirbt ab. Durchdringende Gefäße sind blockiert, weil sie keine Schleifen bilden. Kleinfield vermutet jedoch, dass die Architektur effektive Möglichkeiten bietet, Blut auf bestimmten Wegen im Gehirn neu zu verteilen.


Schleifennetzwerke finden sich auch bei Meerestieren, zum Beispiel in dieser Gorgonienkoralle

Was dies klinisch bedeutet, ist noch nicht klar. Neurowissenschaftler berichten nicht über Schlaganfälle, die aufgrund einer Verstopfung der durchdringenden Gefäße aufgetreten sind. Dies liegt jedoch nur daran, dass die Gefäße zu klein sind, um mit herkömmlichen Bildgebungsgeräten untersucht zu werden, und es ist unwahrscheinlich, dass sie allein Symptome verursachen können. Geert Jan Biessels , Neurowissenschaftler am Universitätsklinikum in Utrecht, sagt jedoch, dass neue, leistungsfähigere bildgebende Verfahren für das Gehirn es ermöglichen, sehr kleine Läsionen zu erkennen, wenn auch noch nicht mit einer solchen Erlaubnis, um einzelne durchdringende Gefäße zu sehen . Er fügt hinzu, dass Autopsiedaten zeigen, dass solche Mikroschläge "ein wichtiges Zeichen für kognitiven Verfall und Demenz mehrere Jahre vor dem Tod sein können".

Schleifen im Gehirn

Nachdem das Kleinfield-Team neue Instrumente zur Markierung des Blutkreislaufsystems des Gehirns erworben hat, plant es zu untersuchen, wie sich das Kreislaufsystem des Gehirns bei Nagetieren mit bestimmten Mutationen oder von anderen Arten unterscheidet. „Jetzt können wir beginnen, die verschiedenen Kreislaufsysteme zu untersuchen und festzustellen, warum sie so ausfallen, wie sie sind“, sagt Kleinfield.

Eine vorläufige Untersuchung von Mäusen ohne Protein, die für die Sauerstofferkennung verantwortlich sind, zeigt radikal veränderte Strukturen: Im Gegensatz zu gewöhnlichen Tieren haben mutierte Mäuse kein zweidimensionales Netzwerk von Gefäßen auf der Oberfläche des Gehirns. "Es gibt nur eine dreidimensionale Struktur", sagt Kleinfield. "Es ist wie bei Roub Goldbergs Maschine , die aus kleinen Röhren besteht."

Weber und Kleinfield arbeiten gemeinsam an einem Projekt zur Markierung des gesamten Kreislaufsystems im Gehirn der Maus, das vom europäischen Projekt " The Human Brain Project " ( Human Brain Project ) finanziert wird. Weber sagt, dass diese Karte die Erstellung genauerer Modelle ermöglicht und die Grundlage für das Erreichen des Ziels der Erstellung einer vollständigen Gehirnkarte bildet. Auf diese Weise können Forscher auch herausfinden, ob bestimmte Teile des Gehirns aufgrund der schwachen Beziehung ihres Kreislaufsystems anfällig für Schlaganfälle sind (z. B. das Striatum , das die motorische Aktivität plant).

Die Forscher beginnen auch, die Kreislaufsysteme anderer Körperteile zu untersuchen. Lance Munn, Biologe am Massachusetts General Hospital, sagt, dass die meisten Gewebe eine signifikante Redundanz in Form von Schleifen aufweisen. "Zum Beispiel bieten diese Schleifen in der Haut alternative Wege für Blut im Falle einer Schädigung - Blut kann den Bereich" umrunden ", um zu dem Gewebe zu gelangen, das sich" stromabwärts "der beschädigten Gefäße befindet", sagt er. Mans untersucht die Eigenschaften von Blutgefäßen in Tumoren, in denen ein entwickeltes Netzwerk von Gefäßen wächst, die Krebsgewebe versorgen. Eine beliebte Klasse von Arzneimitteln, angiogene Inhibitoren , stoppen das Wachstum von Tumoren und stören die Bildung neuer Gefäße.

Kleinfield verwendet Werkzeuge, die zur Untersuchung von Blutkreisläufen entwickelt wurden, um neuronale Netze im Hirnstamm zu untersuchen , beispielsweise sensomotorische Schleifen, die die Bewegung von Whiskern in Mäusen steuern und Informationen erhalten. Obwohl "die Kreislaufsysteme selbst interessant sind", sagt Kleinfield, dienen sie auch als "Aufwärmübung zur Untersuchung des Nervensystems".