प्राकृतिक नेटवर्क की शक्ति अतिरिक्त छोरों में है

लूप्ड नेटवर्क अक्सर प्रकृति में पाए जाते हैं - उदाहरण के लिए, एक पवित्र फिकस पत्ती की नसों में

एक पेड़ की पत्ती या एक ड्रैगनफली के पंख पर सूक्ष्म शाखाओं के पैटर्न पर विचार करें, और आप जटिल नेटवर्क देखेंगे जिसमें नोड्स लूप होंगे। इस तरह के पैटर्न प्रकृति और मानव निर्मित संरचनाओं दोनों में हर जगह पाए जा सकते हैं: मस्तिष्क के वाहिका में, मायसेलियम में, एक खिला बलगम के जटिल रूप में और एफिल टॉवर की धातु शाखाओं में।



छोरों सहित नेटवर्क वास्तुकला - जैसे अनावश्यक कंप्यूटर नेटवर्क या विद्युत नेटवर्क - यह क्षति के लिए प्रतिरोधी बनाता है। रॉकफेलर यूनिवर्सिटी के एक भौतिक विज्ञानी मार्सेलो मैगनैस्को बताते हैं कि एफिल टॉवर एक लूप निर्माण का एक स्पष्ट उदाहरण है जिसे लोड को अपने पुनरावर्ती फ्रेम में यथासंभव समान रूप से वितरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हैरानी की बात है, हम इस बारे में बहुत कम जानते हैं कि पत्ती शिरा नेटवर्क या कॉर्टिकल रक्त वाहिकाओं को उसी तरह क्यों व्यवस्थित किया जाता है।


ड्रैगनफली पंखों में लूपिंग जाल उन्हें क्षति के लिए प्रतिरोधी बनाते हैं

"हमारी घृणा के लिए, हम संस्थाओं के बीच यौगिकों के भौतिकी के बारे में बहुत कुछ जानते हैं," मैग्नैस्को सरल संचार प्रणालियों के बारे में कहते हैं। - और, फिर भी, हम सिस्टम को समग्र रूप से नहीं समझते हैं। हम नहीं जानते कि वे इस तरह क्यों दिखते हैं या क्यों प्रत्येक पेड़ बाकी से अलग है। "

पिछले कुछ वर्षों में, मैग्नासको और अन्य वैज्ञानिकों ने इस कारण का पता लगाना शुरू कर दिया है कि इस तरह के पैटर्न प्रकृति में बहुत आम हैं। मस्तिष्क को पत्ती और रक्त की आपूर्ति के अध्ययन ने पुष्टि की है कि नेस्टेड लूप एक क्षति प्रतिरोधी संरचना बनाते हैं जो द्रव प्रवाह में उतार-चढ़ाव का सामना कर सकते हैं। अब वैज्ञानिक इन नेटवर्कों के गुणों का आंकलन करने के लिए शुरुआत कर रहे हैं, उनकी मुख्य विशेषताओं जैसे स्थिरता के बारे में जानने के लिए, और यह भी समझें कि इन नेटवर्कों की यथासंभव जानकारी की तुलना कैसे करें।

मैग्नैस्को के सहयोग से मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर डायनामिक्स एंड सेल्फ-ऑर्गनाइजेशन के भौतिक विज्ञानी एलेनी कटिफ़ोरी ने कहा, "पौधे भौतिक अनुसंधान के लिए प्रभावशाली प्रणाली हैं क्योंकि वे गणितीय रूप से सुंदर हैं।" उनके अनुसार, पौधे पुनरावृति रूप से बढ़ते हैं और अक्सर क्रिस्टल के समान एक संरचना का प्रदर्शन करते हैं, जो कि शंकु या सूरजमुखी के फूल जैसे उदाहरणों में पाया जा सकता है। "हम उम्मीद करते हैं कि नस की वास्तुकला को समझने से, हम पौधों की प्रकाश संश्लेषक प्रभावकारिता को बेहतर ढंग से समझ पाएंगे।"

नसों की संरचना को समझने से मस्तिष्क की सतह के अधिक जटिल संचार प्रणाली पर प्रकाश डाला जा सकता है, और मस्तिष्क गतिविधि और रक्त प्रवाह के बीच संबंधों को समझने में मदद मिल सकती है। यह कनेक्शन अभी तक स्पष्ट नहीं है, लेकिन इसके लिए धन्यवाद, कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग करना संभव है, मस्तिष्क छवियों को प्राप्त करने के लिए सबसे लोकप्रिय तरीकों में से एक है।

इन नेटवर्क को लेबल करने से मस्तिष्क के उन हिस्सों की पहचान करने में मदद मिल सकती है जो विशेष रूप से स्ट्रोक के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, साथ ही अल्जाइमर रोग और अन्य संज्ञानात्मक रोगों में रक्त प्रवाह की भूमिका को समझते हैं। "कल्पना कीजिए कि हम एक बीमार मस्तिष्क को कैसे देखते हैं और यह निर्धारित करने की कोशिश करते हैं कि क्या इनमें से कोई भी मूलभूत पैरामीटर बदल गया है, और यह बीमारी के विकास से कैसे संबंधित हो सकता है," बोस्टन के मैसाचुसेट्स अस्पताल के भौतिक विज्ञानी डेविड बोस कहते हैं।


भोजन की तलाश में Physarum polycephalum स्लग लूप्ड नेटवर्क बनाता है

चूंकि संचार प्रणालियों को कनेक्टेड ट्यूबों के एक नेटवर्क के रूप में दर्शाया जा सकता है, और तरल प्रवाह की गणना लंबे समय से ज्ञात समीकरणों के लिए की जा सकती है, भौतिक विज्ञानी इस तरह के सरल नेटवर्क को पेड़ों की पत्तियों पर नसों के रूप में आसानी से मॉडल कर सकते हैं। ऐसी प्रणालियों का अध्ययन करके, मैग्नैस्को यह समझने की उम्मीद करता है कि नसों का आकार और इस तरह के कनेक्शन कोण क्यों हैं, और विभिन्न तराजू की संरचनाएं एक नेटवर्क में एक साथ कैसे काम करती हैं।

मैग्नेस्को का कहना है कि नेटवर्क विश्लेषण के तरीकों, जो कल्पना करना आसान है, को फिर जैविक नेटवर्क पर लागू किया जा सकता है जो मॉडल और अधिक कठिन हैं - कहते हैं, जीन और प्रोटीन की बातचीत के वेब नेटवर्क या मस्तिष्क के तंत्रिका नेटवर्क तक। मैग्वास्को का कहना है कि पत्तियां "शोध का एक अच्छा उद्देश्य है क्योंकि उन्हें अन्य नेटवर्क में कोई कठिनाई नहीं है।"

शीट का निर्माण कैसे करें

जब एक प्रभावी नेटवर्क बनाने के लिए आवश्यक हो जाता है, तो विकास को दो कारकों पर विचार करने की आवश्यकता होती है: भवन की लागत और नेटवर्क संचालन की लागत। जहाजों के मामले में, इसका मतलब है कि उनके माध्यम से नसों को बनाने और तरल पदार्थ पंप करने की लागत। सबसे सस्ता एक सरल पेड़ संरचना के साथ काम करना है, जो प्राचीन पौधों में पाया जा सकता है। यह संरचना, हालांकि प्रभावी है, बहुत स्थिर नहीं है। यदि कनेक्शन क्षतिग्रस्त है, तो सिस्टम का हिस्सा द्रव हानि से पीड़ित होता है और मर जाता है ।

नस वास्तुकला की टोपोलॉजी को समझने के लिए, कैटिफोरी और मैग्नासको ने एक सरल नेटवर्क मॉडल बनाया, जो इसके मूल गुणों का पता लगाने की कोशिश कर रहा है। उन्होंने विभिन्न दबावों और प्रवाह के साथ पाइपों के एक नेटवर्क के रूप में नसों (जाइलम) का निर्माण किया। उन्होंने इस सवाल का जवाब देने की कोशिश की, कैसे, सीमित संख्या में पाइप के साथ, उन्हें दबाव ड्रॉप को कम करने के लिए वितरित किया जाना चाहिए और सिस्टम को यथासंभव नुकसान के लिए प्रतिरोधी बनाना चाहिए? कटिफ़ोरी कहते हैं, "वास्तविक दुनिया में," जिस कीट ने काट लिया है वह पत्ती काम करना जारी रखती है। "

उन्होंने पाया कि पदानुक्रम से नेस्टेड छोरों की वास्तुकला - यानी, छोरों के अंदर छोरों के अंदर छोरों - दूसरों की तुलना में नुकसान के लिए अधिक प्रतिरोधी है। "लूप्स नेटवर्क में अतिरेक जोड़ते हैं," काटिफ़ोरी कहते हैं। "क्षति के मामले में, पानी को अन्य चैनलों के माध्यम से पुनर्निर्देशित किया जा सकता है।" पत्रिका PLoS ONE में प्रकाशित मॉडल द्वारा प्राप्त संरचनाएं कुछ पत्तियों के समान दिखती हैं।


कृंतक रूप लूपेड नेटवर्क के कोर्टेक्स की सतह पर रक्त वाहिकाएं, जो मामूली क्षति के बाद भी रक्त को किसी भी क्षेत्र में जल्दी पहुंचने देती हैं।

क्षतिग्रस्त पत्तों पर बहने वाले फ्लोरोसेंट द्रव के अद्भुत शॉट्स ने शोधकर्ताओं को मात्रात्मक रूप से यह वर्णन करने में मदद की कि क्षति के स्थल के आसपास पानी कैसे बहता है। एक जिन्को बाइलोबा (जिन्को बाइलोबा) का एक पत्ता, एक लूप संरचना के बजाय एक पेड़ जैसे विकास के साथ एक प्राचीन संयंत्र, इस तरह के धीरज का दावा नहीं कर सकता।

शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि पर्यावरण की स्थिति में बदलाव के रूप में लूप्ड नेटवर्क द्रव परिसंचरण में उतार-चढ़ाव का बेहतर सामना करते हैं।

कैटिफ़ोरी और मागांस्को अब अनुकूली लूप नेटवर्क को बदलते हैं जो बदलती परिस्थितियों के जवाब में विकसित होते हैं। इस तरह की प्रक्रियाएं कवक, कुछ प्रकार के मोल्ड, और यहां तक ​​कि जानवरों के विकासशील संचार प्रणाली में भी हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, भोजन की तलाश में बलगम लगातार आकार बदलता है, लंबी उंगलियों को फैलाता है, अक्सर लूपेड जाल के रूप में। एक अद्भुत प्रयोग में, जापानी शोधकर्ताओं ने टोक्यो के आसपास के शहरों में बिखरे दलिया के साथ बिंदीदार सतह पर बलगम उगाया । नतीजतन, कीचड़ एक कुशल शहर रेल प्रणाली से मिलता-जुलता एक लूप नेटवर्क में बढ़ता है।

रक्त वाहिका अंकन

मस्तिष्क के कामकाज के लिए प्रभावी रक्त परिसंचरण आवश्यक है, जिसमें ऊर्जा संरक्षण के लिए तंत्र नहीं है: विद्युत रूप से सक्रिय न्यूरॉन्स को जल्दी से खिलाया जाना चाहिए। नतीजतन, मस्तिष्क रक्त प्रवाह के सटीक नियमन में लगा हुआ है और जरूरत वाले क्षेत्रों में रक्त की डिलीवरी को बढ़ाता है। "यह रक्त प्रवाह का सटीक समायोजन बहुत स्थानीय है, मिलीमीटर आयामों से बहुत छोटा है," ज्यूरिख विश्वविद्यालय के एक न्यूरोसाइंटिस्ट ब्रूनो वेबर कहते हैं।

दस साल से भी अधिक समय पहले, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के एक भौतिक विज्ञानी और न्यूरोसाइंटिस्ट, डैफिड क्लेनफील्ड और उनके सहयोगियों ने पाया कि वे कृंतक मस्तिष्क की व्यक्तिगत केशिकाओं में रक्त परिसंचरण को ट्रैक करने में सक्षम थे। उन्होंने पाया कि रक्त का प्रवाह कभी-कभी दिशा बदल देता है, जो एक पाशविक संवहनी संरचना के पक्ष में बोलता है। "एक संकेत था कि संचार प्रणाली पहले की तुलना में अधिक दिलचस्प होगी," क्लेनफील्ड का कहना है।


कृंतक के सेरेब्रल कॉर्टेक्स में रक्त वाहिकाओं के मानचित्र पर, नेटवर्क लूप दिखाई देता है। यह भी देखा गया है कि रक्त वाहिकाओं की वास्तुकला न्यूरोनाटॉमी (पीले और नारंगी शंकु) के अनुरूप नहीं है

कुछ साल पहले, क्लेनफील्ड टीम ने पाया कि सोमाटोसेंसरी कॉर्टेक्स की सतही परिसंचरण प्रणाली, मस्तिष्क का वह हिस्सा जो सक्रिय होता है जब जानवर अपनी मूंछों को अंतरिक्ष में उन्मुख करने के लिए उपयोग करता है, यादृच्छिक रूप से स्थित परस्पर जुड़े छोरों के रूप में व्यवस्थित होता है। यह रक्त को सभी दिशाओं से एक निश्चित क्षेत्र तक पहुंचने की अनुमति देता है, जो न्यूरॉन्स को आवश्यक पोषण देता है। "अगर लूप बेतरतीब ढंग से दो-आयामी जाली से जुड़े होते हैं, तो रक्त रेडियली सक्रिय रूप से सक्रिय क्षेत्र में पहुंच सकता है," क्लेनफील्ड का कहना है।

2010 में, शोधकर्ताओं ने चूहों और चूहों में नियोकॉर्टेक्स की सतह को कवर करने वाले जहाजों के एक नेटवर्क को चिह्नित किया , जो सेरेब्रल कॉर्टेक्स की बाहरी परत है। "हमें संदेह था कि इसने एक जाल नेटवर्क का गठन किया था, इसलिए हमने संचार प्रणाली को भरा और सतह को चिह्नित किया," क्लेनफील्ड कहते हैं। "अधिकांश जहाजों ने एक लूप आर्किटेक्चर का गठन किया।" वैज्ञानिकों को संदेह था कि नेटवर्क में कुछ हद तक अतिरेक था, लेकिन क्लेनफील्ड टीम विस्तार के एक नए स्तर पर पहुंच गई। क्लेनफील्ड कहते हैं, "हम पूरी चीज़ को चिह्नित करने और टोपोलॉजी के करीब आने के लिए सबसे पहले थे - नेटवर्क का वर्णन करने और प्रवाह की गणना करने के लिए इसका उपयोग करने के लिए।"


गंगा डेल्टा फार्म जटिल लूपिंग नेटवर्क

शोधकर्ताओं ने इस कनेक्टिविटी कार्ड का उपयोग एक ऐसी स्थिति का अनुकरण करने के लिए किया है जिसमें नेटवर्क में एक पोत अवरुद्ध है। मॉडल और वास्तविक मस्तिष्क दोनों में, एक जहाज को दो-आयामी ग्रिड में अवरुद्ध करने का कोई विशेष प्रभाव नहीं था। रक्त अन्य वाहिकाओं के माध्यम से बहता है। यह खोज नैदानिक ​​अभ्यास द्वारा समर्थित है: स्ट्रोक मस्तिष्क की सतह पर कभी नहीं होते हैं। "हमें लगता है कि यह है क्योंकि यह उसी तरह काम करता है," क्लेनफील्ड का कहना है।

फिर क्लेनफील्ड और सहकर्मियों ने मस्तिष्क की गहराई में जाकर रक्त वाहिकाओं के नेटवर्क का अध्ययन किया जो सोमेटोसेंसरी कॉर्टेक्स के न्यूरॉन्स को खिलाते हैं। नेचर न्यूरोसाइंस जर्नल में प्रकाशित एक पेपर में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि केशिकाएं एक निरंतर नेटवर्क बनाती हैं। क्लेनफील्ड का कहना है, "इसका मतलब है कि माइक्रोवेसल्स, केशिकाएं आपस में जुड़ी हुई हैं।" "यदि आप अचल संपत्ति के साथ सादृश्य का उपयोग करते हैं, तो अलग-थलग जहाजों वाली साइटें नहीं हैं, यानी बंद झोपड़ी वाले गाँव।"

शोधकर्ताओं ने "ग्राफ थ्योरी" नामक सांख्यिकीय तंत्र के लिए एक दृष्टिकोण का उपयोग किया, ताकि यह पता लगाया जा सके कि वाहिकाएं नेटवर्क क्यों बनाती हैं, जिसमें प्रत्येक शीर्ष पर तीन किनारे अभिसरण होते हैं - यह पहले प्रयोगशाला में देखा गया था (वाहिकाएं किनारों की भूमिका निभाती हैं)। क्लिनफील्ड के सहयोगी, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के भौतिकशास्त्री हैरी सुहल ने दिखाया है कि यह योजना विशेष रूप से मजबूत है। "विशेष रूप से ग्राफ़ की तुलना में जहां शीर्ष पर किनारों की संख्या निर्धारित नहीं है, जैसा कि इंटरनेट पर मामला है," क्लेनफील्ड कहते हैं।

सतह नेटवर्क के मामले में, केशिकाओं में रक्त के प्रवाह को रोकना व्यावहारिक रूप से नेटवर्क के संचालन को प्रभावित नहीं करता है - रक्त बस एक अलग तरीके से जाता है। हालांकि, कोर्टेक्स की सतह से मस्तिष्क तक एक मर्मज्ञ पोत को अवरुद्ध करना गंभीर परिणामों के साथ होता है। रक्त प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है, और आसपास के मस्तिष्क के ऊतक मर जाते हैं। पेनेट्रेटिंग वाहिकाओं को अवरुद्ध कर दिया जाता है क्योंकि वे लूप नहीं बनाते हैं, लेकिन क्लेनफील्ड को संदेह है कि वास्तुकला मस्तिष्क में कुछ मार्गों के साथ रक्त के पुनर्वितरण के लिए प्रभावी तरीके प्रदान करता है।


लुपिंग नेटवर्क भी समुद्री जानवरों में पाए जाते हैं, उदाहरण के लिए, इस गोर्गोनियन कोरल में

इसका क्या मतलब है नैदानिक ​​रूप से अभी तक स्पष्ट नहीं है। न्यूरोसाइंटिस्ट स्ट्रोक के वाहिकाओं के रुकावट के कारण होने वाले स्ट्रोक की रिपोर्ट नहीं करते हैं, लेकिन यह केवल इसलिए है क्योंकि पारंपरिक इमेजिंग उपकरणों का उपयोग करके जहाजों की बहुत कम जांच की जाती है, और यह संभावना नहीं है कि वे अकेले लक्षण पैदा कर सकते हैं। हालांकि, यूट्रेक्ट में यूनिवर्सिटी मेडिकल सेंटर के एक न्यूरोसाइंटिस्ट, जियर्ट जन बायसेल्स का कहना है कि नई, अधिक शक्तिशाली मस्तिष्क इमेजिंग प्रौद्योगिकियां बहुत छोटे घावों का पता लगाना संभव बनाती हैं, हालांकि अभी तक इस तरह की अनुमति के साथ, व्यक्तिगत मर्मज्ञ वाहिकाओं को देखने के लिए नहीं। । वह कहते हैं कि ऑटोप्सी डेटा से पता चलता है कि इस तरह के माइक्रोस्ट्रोक "मृत्यु से कई साल पहले संज्ञानात्मक गिरावट और मनोभ्रंश का एक महत्वपूर्ण संकेत हो सकते हैं।"

मस्तिष्क में लूप

मस्तिष्क के रक्त संचार प्रणाली को चिह्नित करने के लिए नए उपकरण प्राप्त करने के बाद, क्लेनफील्ड टीम यह अध्ययन करने की योजना बना रही है कि मस्तिष्क का परिसंचरण तंत्र कुछ उत्परिवर्तन के साथ या अन्य प्रजातियों से कृन्तकों में कैसे भिन्न होता है। "अब हम विभिन्न संचार प्रणालियों का अध्ययन करना शुरू कर सकते हैं और यह निर्धारित कर सकते हैं कि वे जिस तरह से बाहर हैं, वे क्यों बदलते हैं," क्लेनफील्ड कहते हैं।

प्रोटीन के बिना चूहों का एक प्रारंभिक अध्ययन , जो ऑक्सीजन मान्यता के लिए जिम्मेदार है, मौलिक रूप से परिवर्तित संरचनाओं का खुलासा करता है: सामान्य जानवरों के विपरीत, उत्परिवर्ती चूहों में मस्तिष्क की सतह पर जहाजों का दो-आयामी नेटवर्क नहीं होता है। "केवल एक तीन आयामी संरचना है," क्लेनफील्ड का कहना है। "यह छोटे ट्यूबों से मिलकर Roub Goldberg की मशीन की तरह है।"

वेबर और क्लेनफ़ील्ड एक परियोजना पर काम कर रहे हैं जो माउस मस्तिष्क में संपूर्ण संचार प्रणाली को चिह्नित करने के लिए यूरोपीय परियोजना " द ह्यूमन ब्रेन प्रोजेक्ट " [ मानव मस्तिष्क परियोजना ] द्वारा वित्त पोषित है। वेबर का कहना है कि यह नक्शा अधिक सटीक मॉडल बनाने की अनुमति देगा और पूर्ण मस्तिष्क मानचित्र बनाने के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए आधार प्रदान करेगा। यह शोधकर्ताओं को यह पता लगाने की भी अनुमति देगा कि मस्तिष्क के कुछ हिस्से स्ट्रोक के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं (उदाहरण के लिए, स्ट्रैटम , जो मोटर गतिविधि की योजना बना रहा है) अपने संचार प्रणाली के कमजोर संबंधों के कारण।

शोधकर्ता शरीर के अन्य भागों की संचार प्रणालियों का भी अध्ययन करने लगे हैं। मैसाचुसेट्स जनरल अस्पताल के एक जीवविज्ञानी लांस मुन का कहना है कि अधिकांश ऊतक लूप के रूप में महत्वपूर्ण अतिरेक दिखाते हैं। "उदाहरण के लिए, त्वचा में, ये लूप क्षति के मामले में रक्त के लिए वैकल्पिक मार्ग प्रदान करते हैं - रक्त क्षतिग्रस्त जहाजों के" डाउनस्ट्रीम "स्थित ऊतक को प्राप्त करने के लिए" चारों ओर "जा सकता है," वे कहते हैं। मनुष्य ट्यूमर में रक्त वाहिकाओं के गुणों का अध्ययन करते हैं जिसमें वाहिकाओं का एक विकसित नेटवर्क होता है जो कैंसरग्रस्त ऊतक को खिलाता है। दवाओं का एक लोकप्रिय वर्ग, एंजियोजेनिक इनहिबिटर , ट्यूमर के विकास को रोकते हैं, नए जहाजों के गठन में हस्तक्षेप करते हैं।

क्लेनफील्ड मस्तिष्क स्टेम में तंत्रिका नेटवर्क का अध्ययन करने के लिए रक्त सर्किट का अध्ययन करने के लिए विकसित उपकरणों का उपयोग करता है, उदाहरण के लिए, सेंसरिमोटर लूप जो चूहों में मूंछ के आंदोलन को नियंत्रित करते हैं और जानकारी प्राप्त करते हैं। हालांकि "संचार प्रणाली स्वयं दिलचस्प हैं," क्लेनफील्ड का कहना है, वे "तंत्रिका तंत्र का अध्ययन करने के लिए वार्म-अप" के रूप में भी काम करते हैं।