自然界中充满同步现象：从萤火虫的闪光到海洋中游动的鱼群，生物系统常常以节奏性的方式相互运动。这种同步发生的机制非常复杂。
例如，在大脑的血管系统中，血管会根据需要振荡、扩张和收缩。当有神经活动时，小动脉会扩张以增加血流、氧气和营养物质的供应。这些振荡是自我维持的，但小动脉也会彼此协同工作。这种协同机制尚不完全清楚。
为了解开这个谜题，加州大学圣地亚哥分校的研究人员将目光投向了身体的另一个部分：肠道。他们发现，以相似频率运行的振荡器会依次锁定彼此，形成阶梯效应。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。
生物同步现象
科学界已知，如果你有一个自我维持的振荡，比如小动脉，并添加一个频率相似但不完全相同的外部刺激，你可以将两者锁定，这意味着你可以将振荡器的频率调整到外部刺激的频率。事实上，研究表明，如果你连接两个时钟，它们最终会同步它们的滴答声。
物理学和神经生物学杰出教授David Kleinfeld发现，如果他对一个神经元施加外部刺激，整个血管系统会在同一频率上锁定。然而，如果他在两个不同频率下刺激两组神经元，会发生意想不到的情况：一些小动脉会锁定在一个频率，而其他小动脉会锁定在另一个频率，形成阶梯效应。
为了寻找解释，Kleinfeld寻求了他的同事、专注于理解生命系统物理学的物理学教授Massimo Vergassola的帮助，并招募了巴黎高等师范学院的研究生Marie Sellier-Prono和复杂系统研究所的高级研究员Massimo Cencini。研究人员发现，他们可以使用具有肠道特色的经典耦合振荡器模型。
肠道由于蠕动——消化道肌肉的收缩和放松——而自然振荡，这为比大脑中复杂的血管网络提供了一个简化的模型。肠道是单向的，意味着频率在一个方向上以从高到低的梯度变化。这使得食物能够从小肠的开始端向大肠的末端单向移动。
"耦合振荡器彼此对话，肠道的每个部分都是一个与附近其他部分对话的振荡器。通常，耦合振荡器在同质环境中研究，意味着所有振荡器的频率或多或少相似。在我们的案例中，振荡器更加多样化，就像在肠道和大脑中一样。"
Massimo Vergassola，物理学教授
在研究肠道中的耦合振荡器时，过去的研究人员观察到，确实存在一种阶梯效应，即相似的频率锁定在周围频率上，允许食物通过消化道进行节奏性运动。但上升或间断的高度、阶梯运行或频率的长度，以及阶梯现象发生的条件——生物系统的必要特征——直到现在才被确定。
实验蠕动与模型数据的比较。（左）圆圈是完整肠道中记录的振荡周期，而灰色阶梯是从模型获得的。（右）三个振荡时间序列的结构。
这个新的数学解决方案同时回答了两个长期存在的生物学问题：食物如何通过消化道移动以及如何被搅拌。研究团队希望这项工作能够支持对称为胃肠运动障碍的蠕动相关消化健康问题的进一步研究。
"数学在以前是以近似方式解决的，但没有一种方式能给出这些间断以及间断处发生的情况。这是一个关键发现，"Kleinfeld表示。
现在他们已经解决了肠道振荡的问题，他们又回到研究大脑复杂的血管系统。如果肠道是单向的，大脑中的血管系统则有数百个方向。虽然它们都有阶梯效应，但肠道中的阶梯是一个接一个地从一个水平到下一个水平。而大脑中的阶梯则同时沿着不同长度的不同路径进行。
"大脑比肠道复杂得多，但这是科学的最佳体现，"Kleinfeld说。"你问一个问题，它引导你去其他地方，你解决那个问题，然后再回到你的原始问题。"
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