La synchronisation abonde dans la nature : des lumières clignotantes des lucioles au mouvement des poissons se tortillant dans l'océan, les systèmes biologiques sont souvent en mouvement rythmé les uns avec les autres. Les mécanismes de cette synchronisation sont complexes.
Par exemple, dans le système vasculaire cérébral, les vaisseaux sanguins oscillent, se dilatent et se contractent selon les besoins. Lorsqu’il y a une activité neuronale, les artérioles se dilatent pour augmenter le flux sanguin, l’oxygène et les nutriments. Ces oscillations sont auto-entretenues, mais les artérioles travaillent également de concert les unes avec les autres. Comment cela se produit n’est pas bien compris.
Pour découvrir la réponse, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego se sont penchés sur une autre partie du corps : l’intestin. Ici, ils ont découvert que les oscillateurs fonctionnant à des fréquences similaires se verrouillent les uns sur les autres, créant ainsi un effet d'escalier. Leur travail apparaît dans Lettres d'examen physique.
La biologie en synchronisation
Il est connu dans la communauté scientifique que si vous avez une oscillation auto-entretenue, telle qu'une artériole, et que vous ajoutez un stimulus externe à une fréquence similaire mais pas identique, vous pouvez verrouiller les deux, ce qui signifie que vous pouvez décaler la fréquence de l'oscillateur sur celle du stimulus externe. En fait, il a été démontré que si vous connectez deux horloges, elles finiront par synchroniser leur tic-tac.
Le professeur distingué de physique et de neurobiologie David Kleinfeld a découvert que s'il appliquait un stimulus externe à un neurone, l'ensemble du système vasculaire se verrouillerait à la même fréquence. Cependant, s’il stimulait deux ensembles de neurones à deux fréquences différentes, quelque chose d’inattendu se produisait : certaines artérioles se verrouilleraient à une fréquence et d’autres se verrouilleraient à une autre fréquence, formant ainsi un effet d’escalier.
À la recherche d’une explication, Kleinfeld a fait appel à son collègue, le professeur de physique Massimo Vergassola, spécialisé dans la compréhension de la physique des systèmes vivants, puis a recruté Marie Sellier-Prono, étudiante diplômée de l’Ecole Normale Supérieure et chercheuse principale à l’Institut des systèmes complexes Massimo Cencini. Ensemble, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient utiliser un modèle classique d’oscillateurs couplés avec une torsion intestinale.
L’intestin oscille naturellement en raison du péristaltisme – la contraction et la relaxation des muscles du tube digestif – et constitue un modèle simplifié du réseau complexe de vaisseaux sanguins du cerveau. L’intestin est unidirectionnel, ce qui signifie que les fréquences se déplacent dans une direction selon un gradient allant du haut vers le bas. C’est ce qui permet aux aliments de se déplacer dans une direction depuis le début de l’intestin grêle jusqu’à la fin du gros intestin.
Les oscillateurs couplés communiquent entre eux et chaque section de l'intestin est un oscillateur qui communique avec les autres sections proches d'elle. Normalement, les oscillateurs couplés sont étudiés dans un cadre homogène, c'est-à-dire que tous les oscillateurs sont à des fréquences plus ou moins similaires. Dans notre cas, les oscillateurs étaient plus variés, tout comme dans l’intestin et le cerveau. »
Massimo Vergassola, professeur de physique
En étudiant les oscillateurs couplés dans l’intestin, des chercheurs antérieurs ont observé qu’il existe effectivement un effet d’escalier dans lequel des fréquences similaires se fixent sur celles qui l’entourent, permettant ainsi le mouvement rythmique des aliments dans le tube digestif. Mais la hauteur des montées ou des ruptures, la longueur ou la fréquence des escaliers et les conditions dans lesquelles le phénomène d'escalier se produit – caractéristiques essentielles des systèmes biologiques – n'avaient pas été déterminées jusqu'à présent.
Comparaison entre le péristaltisme expérimental et les données de modélisation. (À gauche) Les cercles représentent la période d'oscillations enregistrée dans l'intestin intact, tandis que l'escalier gris est obtenu à partir du modèle. (À droite) La structure des trois évolutions temporelles des oscillations.
Cette nouvelle solution mathématique répond en même temps à deux questions biologiques de longue date : comment les aliments se déplacent dans le tube digestif et comment ils sont barattés. L’équipe espère que ces travaux soutiendront la poursuite des recherches sur les problèmes de santé digestive liés au péristaltisme, connus sous le nom de troubles de la motilité gastro-intestinale.
« Les mathématiques avaient été résolues de manière approximative auparavant, mais pas d'une manière qui permettait de connaître ces pauses et ce qui se passe pendant ces pauses. C'est une découverte cruciale », a déclaré Kleinfeld.
Maintenant qu’ils ont résolu la question des oscillations dans l’intestin, ils se remettent à étudier le système vasculaire complexe du cerveau. Si l’intestin est unidirectionnel, le système vasculaire cérébral a des centaines de directions. Bien qu'ils comportent tous deux des escaliers, celui de l'intestin passe d'un niveau à l'autre, un à la fois. Les escaliers du cerveau empruntent simultanément différents chemins et différentes longueurs.
« Le cerveau est infiniment plus compliqué que l'intestin, mais c'est la science à son meilleur », a déclaré Kleinfeld. « Vous posez une question, elle vous mène ailleurs, vous résolvez ce problème, puis revenez à votre question initiale. »
Les auteurs incluent David Kleinfeld et Massimo Vergassola (tous deux UC San Diego), Marie Sellier-Prono (École Normale Supérieure) et Massimo Cencini (Institut des systèmes complexes en Italie).
Financement fourni par la National Institutes of Health BRAIN Initiative (U19 NS123717 et U19 NS137920).
