Die zufälligen Rhythmen des Lebens umgeben uns – vom hypnotischen, synchronisierten Blinken von Glühwürmchen über die Hin- und Herbewegung einer Kinderschaukel bis hin zu leichten Variationen im ansonsten gleichmäßigen Lub-Dub des menschlichen Herzens.
Doch das wirkliche Verständnis dieser Rhythmen – sogenannte stochastische oder zufällige Schwingungen – ist den Wissenschaftlern bisher entgangen. Während Forscher und Kliniker einige Erfolge bei der Analyse von Gehirnwellen und Herzschlägen erzielen, waren sie nicht in der Lage, unzählige Variationen und Quellen zu vergleichen oder zu katalogisieren.
Solche Einblicke in die zugrunde liegende Quelle von Schwingungen zu gewinnen, „könnte zu Fortschritten in der Neurowissenschaft, der Herzwissenschaft und vielen anderen Bereichen führen“, sagte Peter Thomas, Professor für angewandte Mathematik an der Case Western Reserve University.
Thomas ist Teil eines internationalen Teams, das nach eigenen Angaben einen neuartigen, universellen Rahmen für den Vergleich und die Gegenüberstellung von Schwingungen entwickelt hat – unabhängig von den unterschiedlichen zugrunde liegenden Mechanismen –, was ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einem vollständigen Verständnis dieser Schwingungen sein könnte.
Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Wir haben das Problem des Vergleichs von Oszillatoren in ein Problem der linearen Algebra umgewandelt“, sagte Thomas. „Was wir gemacht haben, ist wesentlich präziser als das, was zuvor verfügbar war. Es ist ein großer konzeptioneller Fortschritt.“
Die Forscher sagen, dass andere nun Oszillatoren vergleichen, besser verstehen und sogar manipulieren können, von denen zuvor angenommen wurde, dass sie völlig unterschiedliche Eigenschaften haben.
„Wenn Ihre Herzzellen nicht synchronisiert sind, sterben Sie an Vorhofflimmern“, sagte Thomas. „Aber wenn sich Ihre Gehirnzellen zu stark synchronisieren, haben Sie Parkinson oder Epilepsie, je nachdem, in welchem Teil des Gehirns die Synchronisierung stattfindet. Durch die Verwendung unseres neuen Frameworks kann dieser Herz- oder Gehirnforscher möglicherweise besser verstehen, was die Schwingungen sind.“ bedeuten könnte und wie das Herz oder Gehirn funktioniert oder sich im Laufe der Zeit verändert.“
Schwankende Wolkenkratzer und Gehirnwellen
Thomas sagte, die Forscher – zu denen auch Mitarbeiter von Universitäten in Frankreich, Deutschland und Spanien gehörten – hätten einen neuen Weg gefunden, komplexe Zahlen zu verwenden, um das Timing von Oszillatoren zu beschreiben und wie „verrauscht“ oder ungenau sie getimt sind.
Die meisten Schwingungen seien bis zu einem gewissen Grad unregelmäßig, sagte Thomas. Beispielsweise ist ein Herzrhythmus nicht zu 100 % regelmäßig. Eine natürliche Schwankung des Herzschlags um 5–10 % gilt als gesund.
Thomas sagte, das Problem beim Vergleich von Oszillatoren könne durch die Betrachtung zweier deutlich unterschiedlicher Beispiele veranschaulicht werden: Gehirnrhythmen und schwankende Wolkenkratzer.
„In San Francisco schwanken moderne Wolkenkratzer im Wind und werden von zufällig wechselnden Luftströmungen hin- und hergeschüttelt – sie werden leicht aus ihrer vertikalen Haltung gedrückt, aber die mechanischen Eigenschaften der Struktur ziehen sie zurück“, sagte er. „Diese Kombination aus Flexibilität und Widerstandsfähigkeit hilft Hochhäusern, Erschütterungen bei Erdbeben zu überstehen. Man würde nicht glauben, dass dieser Prozess mit Gehirnwellen verglichen werden kann, aber unser neuer Formalismus ermöglicht es Ihnen, sie zu vergleichen.“
Wie ihre Ergebnisse beiden Disziplinen – Maschinenbau und Neurowissenschaften – helfen könnten, sei derzeit möglicherweise unbekannt, sagte Thomas und verglich den konzeptionellen Fortschritt mit der Entdeckung der um Jupiter kreisenden Monde durch Galileo.
„Was Galileo erkannte, war eine neue Sichtweise, und obwohl unsere Entdeckung nicht so weitreichend ist wie die von Galileo, handelt es sich dennoch um einen Perspektivwechsel“, sagte er. „Was wir in unserer Arbeit berichten, ist eine völlig neue Sichtweise auf stochastische Oszillatoren.“
Mehr Informationen:
Alberto Pérez-Cervera et al, Eine universelle Beschreibung stochastischer Oszillatoren, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2303222120