自然界中同步现象无处不在：从萤火虫的闪光到鱼群在海洋中的扭动，生物系统常常以节奏性运动相互协调。这种同步发生的机制十分复杂。
例如，在大脑血管系统中，血管会根据需要扩张和收缩进行振荡。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。这些振荡是自维持的，但小动脉也相互协调工作。这种协调机制尚未被充分理解。
为了解开这一谜题，加州大学圣地亚哥分校的研究人员转向身体的另一部分：肠道。他们发现，以相似频率运行的振荡器会依次相互锁定，形成阶梯效应。该研究发表在《物理评论快报》上。
生物同步现象
科学界已知，如果存在一个自维持振荡器（如小动脉），并施加一个频率相似但不完全相同的外部刺激，两者可以锁定，即振荡器的频率会调整至匹配外部刺激。事实上，研究表明，连接两个时钟后，它们的滴答声最终会同步。
物理学和神经生物学杰出教授大卫·克莱因菲尔德（David Kleinfeld）发现，当对外部神经元施加刺激时，整个血管系统会锁定在同一频率。然而，当他以两个不同频率刺激两组神经元时，意想不到的情况发生了：部分小动脉锁定在一个频率，其余则锁定在另一个频率，形成阶梯效应。
为寻找解释，克莱因菲尔德邀请专攻生命系统物理学的物理学教授马西莫·维尔加索拉（Massimo Vergassola）加入研究，并招募了巴黎高等师范学校研究生玛丽·塞利耶-普罗诺（Marie Sellier-Prono）和意大利复杂系统研究所高级研究员马西莫·琴奇尼（Massimo Cencini）。研究团队发现，他们可以运用经典耦合振荡器模型，并结合肠道特性进行创新应用。
肠道因蠕动——消化道肌肉的收缩与舒张——而自然振荡，这为复杂的脑血管网络提供了一个简化的模型。肠道运动具有单向性，即频率从高位向低位形成梯度变化，这使得食物能从十二指肠单向推进至结肠末端。
"耦合振荡器相互'交流'，肠道的每个节段都是一个振荡器，与邻近节段'对话'，"维尔加索拉表示，"传统耦合振荡器研究通常在均质环境中进行，即所有振荡器频率大致相似。但在我们案例中，振荡器频率差异显著，正如肠道和大脑中的实际情况。"
在研究肠道耦合振荡器时，先前学者观察到确实存在阶梯效应：相似频率会锁定周边频率，从而实现食物在消化道中的节律性移动。但阶梯的上升高度或断裂点、阶梯长度对应的频率，以及阶梯现象发生的条件——这些生物系统的本质特征——此前从未被精确测定。
这项新的数学解决方案同时解答了两个长期存在的生物学问题：食物如何在消化道中移动及其搅拌机制。
"此前数学问题仅以近似方式解决，无法揭示断裂点及其行为特征。这是一项关键性发现，"克莱因菲尔德指出。
在解决肠道振荡问题后，研究团队回归到更复杂的脑血管系统研究。肠道运动呈单向性，而脑血管网络则具有数百个方向。尽管两者均存在阶梯效应，但肠道阶梯是逐级过渡，而脑部阶梯则沿不同路径以各异长度同时发生。
"大脑比肠道复杂无穷，但这正是科学的精髓所在，"克莱因菲尔德说，"你提出一个问题，它引导你走向新方向；你解决新问题后，再回到原始问题。"
作者包括加州大学圣地亚哥分校的大卫·克莱因菲尔德和马西莫·维尔加索拉、巴黎高等师范学校的玛丽·塞利耶-普罗诺，以及意大利复杂系统研究所的马西莫·琴奇尼。
研究由美国国立卫生研究院BRAIN计划资助（项目编号U19 NS123717和U19 NS137920）。
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