Kekuatan jaringan alami dalam loop berlebihan

Jaringan lilitan sering ditemukan di alam - misalnya, di pembuluh daun ficus yang sakral

Pertimbangkan pola percabangan halus pada daun pohon atau sayap capung, dan Anda akan melihat jaringan kompleks yang terdiri dari loop bersarang. Pola semacam itu dapat ditemukan di mana-mana baik di alam maupun di struktur buatan manusia: di pembuluh darah otak, di miselium, dalam bentuk rumit lendir makan, dan di cabang logam Menara Eiffel.



Arsitektur jaringan termasuk loop - seperti jaringan komputer yang berlebihan atau jaringan listrik - membuatnya tahan terhadap kerusakan. Marcelo Magnasco, seorang ahli fisika di Universitas Rockefeller, menunjukkan bahwa Menara Eiffel adalah contoh nyata dari konstruksi loop yang dirancang untuk mendistribusikan beban secara merata di seluruh kerangka rekursifnya. Yang mengejutkan, kita hanya tahu sedikit tentang mengapa jaringan vena daun atau pembuluh darah kortikal diatur dengan cara yang sama.


Jaring melingkar di sayap capung membuatnya tahan terhadap kerusakan

"Jijik kami, kami tahu banyak tentang fisika senyawa antar entitas," kata Magnasco tentang sistem sirkulasi sederhana. - Dan, bagaimanapun, kami tidak memahami sistem secara keseluruhan. Kami tidak tahu mengapa mereka terlihat seperti ini atau mengapa setiap pohon berbeda dari yang lain. "

Selama beberapa tahun terakhir, Magnasco dan ilmuwan lain telah mulai mengeksplorasi alasan mengapa pola seperti itu sangat umum di alam. Studi pasokan daun dan darah ke otak telah mengkonfirmasi bahwa loop bersarang menciptakan struktur tahan kerusakan yang dapat mengatasi fluktuasi aliran cairan. Sekarang para ilmuwan mulai mengevaluasi sifat-sifat jaringan ini secara numerik, mendapatkan gagasan tentang karakteristik utama mereka, seperti stabilitas, dan juga memahami bagaimana membandingkan jaringan-jaringan ini secara informatif.

"Tanaman adalah sistem yang mengesankan untuk penelitian fisik karena mereka secara matematis indah," kata Eleni Katifori , seorang ahli fisika di Institut Max Planck untuk Dinamika dan Swasusun , bekerja dengan Magnasco. Menurutnya, tanaman tumbuh berulang dan sering memperlihatkan struktur yang mirip dengan kristal, yang dapat ditemukan dalam contoh-contoh seperti kerucut atau bunga bunga matahari. "Kami berharap bahwa dengan memahami arsitektur vena, kami akan lebih memahami kemanjuran fotosintesis tanaman."

Memahami struktur vena dapat menjelaskan sistem peredaran darah yang jauh lebih kompleks di permukaan otak, dan membantu memahami hubungan antara aktivitas otak dan aliran darah. Koneksi ini belum jelas, tetapi berkat itu, dimungkinkan untuk melakukan pencitraan resonansi magnetik fungsional, salah satu metode paling populer untuk mendapatkan gambar otak.

Memberi label pada jaringan ini dapat membantu mengidentifikasi bagian otak yang sangat rentan terhadap stroke, serta memahami peran aliran darah pada penyakit Alzheimer dan penyakit kognitif lainnya. "Bayangkan bagaimana kita melihat otak yang sakit dan mencoba menentukan apakah ada salah satu dari parameter mendasar ini telah berubah, dan bagaimana ini bisa terkait dengan perkembangan penyakit," kata David Boas , seorang ahli fisika di Rumah Sakit Massachusetts di Boston.


Physarum polycephalum slug membentuk jaringan melingkar ketika mencari makanan

Karena sistem peredaran darah dapat direpresentasikan sebagai jaringan tabung yang terhubung, dan aliran fluida dapat dihitung berkat persamaan yang telah lama diketahui, fisikawan dapat dengan mudah memodelkan jaringan sederhana seperti vena pada dedaunan pohon. Dengan mempelajari sistem seperti itu, Magnasco berharap untuk memahami mengapa vena memiliki ukuran dan sudut koneksi seperti itu, dan bagaimana struktur skala yang berbeda bekerja bersama dalam jaringan.

Magnasco mengatakan bahwa metode analisis jaringan yang mudah divisualisasikan kemudian dapat diterapkan pada jaringan biologis yang lebih sulit untuk dimodelkan - misalnya, ke jaringan web interaksi gen dan protein, atau ke jaringan saraf otak. Daun adalah "objek penelitian yang baik karena mereka tidak memiliki kesulitan yang melekat pada jaringan lain," kata Magnasco.

Cara membuat selembar kertas

Ketika diperlukan untuk membangun jaringan yang efektif, evolusi perlu mempertimbangkan dua faktor: biaya pembangunan dan biaya operasi jaringan. Dalam kasus kapal, ini berarti biaya membuat pembuluh darah dan memompa cairan melalui pembuluh. Yang termurah adalah beroperasi dengan struktur pohon sederhana, yang dapat ditemukan di pabrik kuno. Struktur ini, walaupun efektif, tidak terlalu stabil. Jika koneksi rusak, bagian dari sistem menderita kehilangan cairan dan mati .

Untuk memahami topologi arsitektur vena, Katifori dan Magnasco membangun model jaringan sederhana, mencoba mencari tahu sifat dasarnya . Mereka memodelkan vena (xilem) dalam bentuk jaringan pipa dengan tekanan dan aliran yang berbeda. Mereka mencoba menjawab pertanyaan, bagaimana, dengan jumlah pipa yang terbatas, haruskah mereka didistribusikan untuk meminimalkan penurunan tekanan dan membuat sistem sekuat mungkin terhadap kerusakan? Di dunia nyata, ”daun dari mana serangga telah digigit terus berfungsi,” kata Katifori.

Mereka menemukan bahwa arsitektur loop bersarang secara hierarkis - yaitu, loop di dalam loop di dalam loop - lebih tahan terhadap kerusakan daripada yang lain. "Loop menambah redundansi ke jaringan," kata Katifori. "Jika terjadi kerusakan, air dapat dialihkan melalui saluran lain." Struktur yang diperoleh oleh model yang diterbitkan dalam jurnal PLoS ONE terlihat sangat mirip dengan beberapa daun.


Pembuluh darah di permukaan korteks jaringan keliling membentuk lingkaran, yang memungkinkan darah untuk dengan cepat mencapai area mana pun bahkan setelah kerusakan kecil.

Tembakan luar biasa dari fluorescent fluida yang mengalir di atas daun yang rusak membantu para peneliti secara kuantitatif menggambarkan bagaimana air mengalir di sekitar lokasi kerusakan. Daun Ginkgo biloba (Ginkgo bilŏba), tanaman purba yang berevolusi dengan struktur seperti pohon dan bukan lingkaran, tidak dapat membanggakan daya tahan seperti itu.

Para peneliti juga menemukan bahwa jaringan melingkar lebih baik mengatasi fluktuasi sirkulasi fluida ketika kondisi lingkungan berubah.

Katifori dan Mgnasco sekarang memodelkan jaringan loop adaptif yang berkembang sebagai respons terhadap perubahan kondisi. Proses seperti itu dapat terjadi pada jamur, beberapa jenis jamur, dan bahkan dalam sistem peredaran darah hewan yang sedang berkembang. Misalnya, lendir yang mencari makanan terus berubah bentuk, merentangkan jari-jari yang panjang, sering kali dalam bentuk jaring melingkar. Dalam satu percobaan yang luar biasa, para peneliti Jepang menumbuhkan lendir di permukaan yang dihiasi oatmeal yang tersebar di sekitar kota di Tokyo. Akibatnya, lendir tumbuh menjadi jaringan melingkar yang menyerupai sistem kereta kota yang efisien.

Tanda pembuluh darah

Sirkulasi darah yang efektif diperlukan untuk fungsi otak, yang tidak memiliki mekanisme untuk konservasi energi: neuron yang aktif secara elektrik harus diberi makan dengan cepat. Akibatnya, otak terlibat dalam pengaturan aliran darah yang tepat dan meningkatkan pengiriman darah ke daerah-daerah yang membutuhkan. "Penyesuaian aliran darah yang tepat ini sangat lokal, jauh lebih kecil dari dimensi milimeter," kata Bruno Weber , seorang ilmuwan saraf di University of Zurich.

Lebih dari sepuluh tahun yang lalu, Daffyd Kleinfield , seorang ahli fisika dan ilmuwan saraf di University of California, San Diego, dan rekan menemukan bahwa mereka dapat melacak sirkulasi darah di kapiler individu otak tikus. Mereka menemukan bahwa aliran darah kadang-kadang berubah arah, yang mendukung struktur pembuluh darah yang melingkar. "Ada petunjuk bahwa sistem peredaran darah akan lebih menarik daripada yang saya pikirkan pada awalnya," kata Kleinfield.


Pada peta pembuluh darah di korteks serebral tikus, loop jaringan terlihat. Juga terlihat bahwa arsitektur pembuluh darah tidak sesuai dengan neuroanatomi (kerucut kuning dan oranye)

Beberapa tahun yang lalu, tim Kleinfield menemukan bahwa sistem peredaran darah superfisial dari somatosensory cortex, bagian dari otak yang aktif ketika hewan menggunakan kumisnya untuk orientasi dalam ruang, diatur dalam bentuk loop yang saling terhubung secara acak . Ini memungkinkan darah untuk mendekati area tertentu dari segala arah, yang memberi neuron nutrisi yang diperlukan. "Jika loop secara acak terhubung ke kisi dua dimensi, darah dapat secara radial mendekati area yang aktif secara elektrik," kata Kleinfield.

Pada 2010, para peneliti menandai jaringan pembuluh yang menutupi permukaan neokorteks pada tikus dan tikus, lapisan luar korteks serebral. “Kami menduga itu membentuk jaringan mesh, jadi kami mengisi sistem peredaran darah dan menandai permukaannya,” kata Kleinfield. "Sebagian besar kapal membentuk arsitektur loop." Para ilmuwan menduga bahwa jaringan tersebut memiliki tingkat redundansi, tetapi tim Kleinfield mencapai tingkat detail baru. "Kami adalah orang pertama yang menandai semuanya dan mendekati topologi - untuk menggambarkan secara numerik jaringan dan menggunakannya untuk menghitung arus," kata Kleinfield.


Delta Gangga Membentuk Jaringan Looping Yang Rumit

Peneliti menggunakan kartu konektivitas ini untuk mensimulasikan situasi di mana satu kapal di jaringan diblokir. Baik dalam model dan otak nyata, memblokir kapal dalam kisi dua dimensi tidak memiliki efek tertentu. Darah mengalir melalui pembuluh lain. Temuan ini didukung oleh praktik klinis: stroke tidak pernah terjadi pada permukaan otak. "Kami pikir ini karena itu berfungsi seperti itu," kata Kleinfield.

Kemudian Kleinfield dan rekannya pergi ke kedalaman otak, mempelajari jaringan pembuluh darah yang memberi makan neuron dari korteks somatosensori. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature Neuroscience, para peneliti menunjukkan bahwa kapiler membentuk jaringan yang berkelanjutan. "Ini berarti bahwa kapal mikro, kapiler, saling berhubungan," kata Kleinfield. "Tidak ada situs dengan kapal yang terisolasi, yaitu, desa pondok tertutup, jika Anda menggunakan analogi dengan real estat."

Para peneliti menggunakan pendekatan mekanisme statistik yang disebut "teori grafik" untuk mencari tahu mengapa kapal membentuk jaringan di mana tepatnya tiga sisi bertemu di setiap titik - ini sebelumnya diamati di laboratorium (kapal berperan sebagai tepi). Rekan Kleinfield, fisikawan Harry Suhl dari University of California, San Diego, telah menunjukkan bahwa skema ini sangat kuat. "Terutama dibandingkan dengan grafik di mana jumlah tepi ke atas tidak tetap, seperti halnya di Internet," kata Kleinfield.

Seperti dalam kasus jaringan permukaan, memblokir aliran darah di kapiler praktis tidak mempengaruhi operasi jaringan - darah hanya berjalan dengan cara yang berbeda. Namun, menghalangi pembuluh yang menembus dari permukaan korteks ke otak terjadi dengan konsekuensi serius. Aliran darah tersumbat, dan jaringan otak di sekitarnya mati. Pembuluh penetrasi terhalang karena tidak membentuk loop, tetapi Kleinfield menduga bahwa arsitektur menyediakan cara yang efektif untuk mendistribusikan kembali darah di sepanjang jalur tertentu di otak.


Jaringan lilitan juga ditemukan pada hewan laut, misalnya, di karang ngarai ini

Apa artinya ini secara klinis belum jelas. Ahli saraf tidak melaporkan stroke yang terjadi karena penyumbatan pembuluh yang menembus, tetapi ini hanya karena pembuluh terlalu kecil untuk diperiksa menggunakan perangkat pencitraan konvensional, dan tidak mungkin bahwa mereka sendiri dapat menyebabkan gejala. Namun, Geert Jan Biessels , seorang ahli saraf di University Medical Center di Utrecht, mengatakan bahwa teknologi pencitraan otak yang baru dan lebih kuat memungkinkan untuk mendeteksi lesi yang sangat kecil, meskipun belum dengan izin seperti itu, untuk melihat pembuluh darah yang menembus individu. . Dia menambahkan bahwa data otopsi menunjukkan bahwa mikro-stroke seperti itu "bisa menjadi tanda penting penurunan kognitif dan demensia beberapa tahun sebelum kematian."

Loop di otak

Setelah memperoleh alat baru untuk menandai sistem peredaran darah otak, tim Kleinfield berencana untuk mempelajari bagaimana sistem peredaran darah otak berbeda dalam tikus dengan mutasi tertentu, atau dari spesies lain. "Sekarang kita dapat mulai mempelajari berbagai sistem peredaran darah dan menentukan mengapa mereka berubah seperti itu," kata Kleinfield.

Sebuah studi pendahuluan tikus tanpa protein, yang bertanggung jawab untuk pengenalan oksigen, mengungkapkan struktur yang berubah secara radikal: tidak seperti hewan biasa, tikus mutan tidak memiliki jaringan pembuluh dua dimensi di permukaan otak. "Hanya ada struktur tiga dimensi," kata Kleinfield. "Ini seperti mesin Roub Goldberg , yang terdiri dari tabung kecil."

Weber dan Kleinfield bekerja bersama dalam sebuah proyek untuk menandai seluruh sistem peredaran darah di otak tikus, yang didanai oleh proyek Eropa " Proyek Otak Manusia " [ Proyek Otak Manusia ]. Weber mengatakan peta ini akan memungkinkan model yang lebih akurat untuk dibangun dan memberikan dasar untuk mencapai tujuan membangun peta otak yang lengkap. Ini juga akan memungkinkan para peneliti untuk mengetahui apakah bagian-bagian tertentu dari otak rentan terhadap stroke (misalnya, striatum , yang merencanakan aktivitas motorik) karena lemahnya hubungan sistem peredaran darah mereka.

Para peneliti juga mulai mempelajari sistem peredaran darah bagian tubuh lainnya. Lance Munn, ahli biologi di Rumah Sakit Umum Massachusetts, mengatakan bahwa sebagian besar jaringan menunjukkan redundansi yang signifikan dalam bentuk loop. "Sebagai contoh, di kulit, loop ini memberikan jalur alternatif untuk darah jika terjadi kerusakan - darah dapat" berputar "ke area untuk mencapai jaringan" hilir "dari pembuluh yang rusak," katanya. Mans mempelajari sifat-sifat pembuluh darah pada tumor di mana jaringan pembuluh yang berkembang memberi makan jaringan kanker tumbuh. Kelas obat yang populer, inhibitor angiogenik , menghentikan pertumbuhan tumor, mengganggu pembentukan pembuluh darah baru.

Kleinfield menggunakan alat yang dikembangkan untuk mempelajari sirkuit darah untuk mempelajari jaringan saraf di batang otak , misalnya, loop sensorimotor yang mengontrol pergerakan kumis pada tikus dan mendapatkan informasi. Meskipun "sistem peredaran darah itu sendiri menarik," kata Kleinfield, mereka juga berfungsi sebagai "pemanasan untuk mempelajari sistem saraf."