Peristaltismul intestinal: modele matematice explică mișcarea și amestecarea alimentelor în tractul digestiv

Un colectiv de cercetători de la University of California, San Diego, în colaborare cu École Normale Supérieure și Institute for Complex Systems din Italia, a elucidat prin modele matematice modul în care oscilațiile musculare din intestin coordonează mișcarea și amestecarea alimentelor. Studiul, publicat în revista Physical Review Letters în octombrie 2025, oferă o nouă perspectivă asupra mecanismelor de sincronizare biologică și asupra dinamicii peristaltismului intestinal, cu implicații pentru înțelegerea tulburărilor de motilitate gastrointestinală.

Context

Fenomenul de sincronizare biologică este omniprezent în natură – de la sincronizarea luminilor licuricilor, la mişcările colective ale peştilor sau păsărilor. În organismul uman, acest tip de coordonare ritmică apare în multiple sisteme, printre care rețeaua vasculară cerebrală, unde arteriolele oscilează pentru a regla fluxul sanguin și aportul de oxigen ca răspuns la activitatea neuronală.

Totuși, mecanismele prin care aceste oscilații independente se coordonează între ele rămâneau slab înțelese. O observație anterioară a profesorului David Kleinfeld a arătat că, dacă o singură populație neuronală este stimulată la o anumită frecvență, întreaga rețea vasculară își aliniază oscilațiile la acea frecvență. Însă, dacă două populații sunt stimulate la frecvențe diferite, arteriolele se sincronizează parțial – o parte la o frecvență, cealaltă la alta – generând ceea ce cercetătorii au denumit efectul de scară (staircase effect).

Pentru a explica matematic acest fenomen, cercetătorii au ales să studieze un sistem biologic mai simplu, dar cu comportament oscilatoriu similar: intestinul.

Despre studiul actual

Echipa formată din David Kleinfeld și Massimo Vergassola (UC San Diego), Marie Sellier-Prono (École Normale Supérieure) și Massimo Cencini (Institute for Complex Systems, Italia) a aplicat un model clasic de oscilatori cuplați, adaptat pentru a reflecta particularitățile tractului digestiv.

În intestin, peristaltismul – contracțiile și relaxările ritmice ale musculaturii – asigură deplasarea unidirecțională a conținutului alimentar. Fiecare segment intestinal se comportă ca un oscilator, care „comunică” cu segmentele vecine prin variații de frecvență. În acest sistem, oscilațiile nu sunt omogene, ci variază în gradient de la segmente cu frecvență mai mare (proximal) la cele cu frecvență mai mică (distal).

Această variație generează cuplarea secvențială a oscilațiilor, unde segmentele care vibrează la frecvențe apropiate se sincronizează între ele, creând o succesiune de „trepte” ritmice – efectul de scară.

Până la acest studiu, cercetătorii știau că acest efect există în intestinele animalelor, dar nu se cunoșteau condițiile precise în care apare, înălțimea și lățimea treptelor (diferențele de frecvență) și modul în care aceste discontinuități afectează mișcarea alimentelor.

Prin integrarea datelor experimentale și a modelelor numerice, echipa a reușit să reproducă fidel oscilațiile peristaltice observate experimental. În model, fiecare „treaptă” corespunde unei regiuni intestinale unde oscilațiile se sincronizează local, ceea ce asigură o mișcare ritmică, dar diferențiată, esențială pentru propulsia și amestecarea eficientă a bolului alimentar.

Modelul explică astfel două fenomene fundamentale ale fiziologiei digestive:

• mișcarea direcțională a alimentelor prin coordonarea frecvențelor în gradient;

• amestecarea lor eficientă prin apariția discontinuităților de fază la „rupturile” dintre trepte.

Rezultate

Cercetătorii au arătat că:

• Oscilatorii intestinali tind să se sincronizeze local, nu global, formând regiuni de blocare în frecvență.

• Efectul de scară descrie alternanța acestor regiuni sincrone și a „defectelor” unde frecvența se rupe, permițând amestecul conținutului intestinal.

• Modelul reproduce cu acuratețe perioadele de oscilație observate experimental, confirmând că frecvențele intestinale se organizează spontan în trepte discrete.

• Această abordare oferă o explicație matematică completă a modului în care mișcarea alimentelor și amestecarea lor sunt reglate în tractul digestiv.

Conform autorilor, „matematica a fost cunoscută doar într-o formă aproximativă până acum, fără a explica discontinuitățile și comportamentul la nivelul rupturilor de frecvență. Acesta este elementul cheie al descoperirii noastre”, a subliniat David Kleinfeld.

Implicații și direcții viitoare

Acest model are potențialul de a fundamenta cercetări clinice asupra tulburărilor de motilitate intestinală, cum ar fi sindromul de intestin iritabil sau gastropareza. Prin înțelegerea modului în care oscilațiile musculare pierd sincronizarea, se pot dezvolta noi abordări terapeutice bazate pe restabilirea ritmului natural al peristaltismului.

De asemenea, cercetătorii revin acum la sistemul vascular cerebral, unde, spre deosebire de intestinul unidirecțional, arteriolele formează rețele bidirecționale complexe. Scopul este de a extrapola principiile de sincronizare descoperite în intestin pentru a explica dinamica fluxului sanguin cerebral în raport cu activitatea neuronală.

După cum afirmă Kleinfeld, „Creierul este infinit mai complex decât intestinul, dar așa funcționează știința: fiecare răspuns deschide o nouă întrebare.”