Вчені пояснили форму нейронів і судин за допомогою фізики

Науковці з'ясували, чому нейрони, кровоносні судини, дерева та корали мають саме таку форму. Виявилося, що їхня структура підпорядковується принципу мінімізації поверхні, а не довжини з'єднань, як вважалося раніше.

Протягом століття дослідники намагалися пояснити будову фізичних мереж через гіпотезу оптимального з'єднання, яка передбачає мінімізацію загальної довжини ланок. Ця теорія, відома як граф Штейнера, прогнозує три правила: усі розгалуження мають бути подвійними, всі три гілки лежать в одній площині, а кути між ними становлять 120 градусів.

Проте аналіз шести класів фізичних мереж — людських та комах'ячих нейронів, кровоносних судин, тропічних дерев, коралів та рослин арабідопсису — виявив систематичні відхилення від цих прогнозів. Зокрема, дослідники знайшли потрійні та навіть більш складні розгалуження, непланарні біфуркації та широкий розподіл кутів між гілками.

Щоб пояснити ці розбіжності, науковці запропонували новий підхід, який розглядає фізичні мережі як двовимірні поверхні, а не одновимірні лінії. Вони виявили формальну відповідність між мінімізацією поверхні та діаграмами Фейнмана у теорії струн, що дозволило використати математичний апарат квантової фізики для прогнозування форми мереж.

Новий підхід передбачає, що потовщені ланки утворюють стабільні потрійні розгалуження, а тонкі гілки відростають перпендикулярно до основних. Ці прогнози підтвердилися експериментально: у людському мозку 98 відсотків таких перпендикулярних відростків закінчуються синапсами, що дозволяє нейронам формувати з'єднання з мінімальними матеріальними витратами.

Дослідження показує, що природа використовує локальну оптимізацію поверхні як універсальний принцип побудови фізичних мереж, незалежно від їхньої функції чи походження. Це відкриття може допомогти у розробці штучних тканин з функціональною судинною системою та поліпшити розуміння розвитку біологічних структур.