Bauchgefühl: Verdauung offenbart in 3-d

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Wie ausgeatmete Bläschen spielerisch auf der Oberfläche des Wassers schwimmen, schwimmt eine Taucher im Meer Korallen zu prüfen. Die Korallen bewegen ihre Tentakel fangen Plankton und andere nährstoffreiche Organismen, die Lebensmittel, die sie zum Überleben brauchen. Da die Koralle Nährstoffe umgarnen, Ströme fließen und eine große Welle bewegt sich durch das Meer weiter mischen von Wasser und Nährstoffen. Das Ergebnis ist eine dynamische, Fluid-Nährstoff Austausch.

Man kann ähnliche mischen und Nährstoff Austausch durch die Wechselwirkungen des menschlichen Verdauungssystems sichtbar machen. In der Verdauung Conduit, aka der Dünndarm, Reißverschluss Nährstoffe durch den Körper durch muskuläre Bewegungen. Diese verursachen Essen entlang der verdauungsfördernden Fläche in eine Richtung, benimmt sich wie eine Meeresströmung gequetscht werden.

Gemischt mit der organisierten peristaltische Bewegung, scheint eine hin und her "schwappen" Wand-Bewegung vor allem eine Mischfunktion ähnlich wie Meereswellen durch Korallen. Der Darm ist auch mit Mikro-Tentakel an den inneren Wänden ausgekleidet. Diese Tentakeln, unsichtbar für das bloße Auge, nennt man "Zotten." Die Zotten haben Muskel, so dass sie wackeln und weiter mischen die Nährstoffe Reisen entlang der Darmwand. Die Zotten Bewegungen dazu führen, dass die Flüssigkeit in verschiedene Richtungen schwenken. Diese Bewegung erzeugt, die zahlreiche kleine Wirbel und Wechselwirkungen führt zu verbesserten Verdauung.

Wie Zotten Verdauung

Dieser Nährstoffen Interaktionen mit Zotten im Dünndarm sind zu klein, um mit bloßem Auge zu sehen, und Forscher haben noch diese Zotten Interaktionen mit Spitzentechnologie Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) Bild. Es wäre nicht toll, diese fluidische Aktivität in Bewegung zu sehen, das macht den Bauch murren und Wäschetrockner!

So wie ein Künstler steht für Tiefe und ein Material formt, um eine visuelle Form zu produzieren, sind James Brasseur und sein interdisziplinäres Team ihre eigene Kunst durch ihre Forschung an der Penn State University rendern. Das Forschungsteam ist die makroskopischen Transportprozesse Darm Flüssigkeit bewegen Bildgebung. Brasseur spezialisiert Mechano-Physiologie, mathematische Modellierung, Simulation und Bild Computeranalyse des (GI) Magen-Darm-Trakt. Bei der Beschreibung seiner Arbeit Brasseur sagt: "ist mein Job, medizinische Probleme zu lösen, die engineering Eingabe erfordern. Ich konzentriere mich auf zwei Arten von Problemen: Neurophysiologie der der GI-Strecke und der klinischen Untersuchung und Therapie. "

Mit Hilfe des Research-Teams enthalten, die Thomas Neuberger und Yanxing Wang, Studenten Gino Banco und Amit Ailiani und Co-Forscher Andrew Webb und Nadine Smith, Brasseur und sein Team untersuchen die Modellierung von Nährstofftransport und Makro-Mikro-mischen in den Dünndarm. Die Gruppe hat eine zweidimensionale, Multi-Scale Modell mit Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt.

"LBM eine rechnerische Werkzeug für die Analyse unserer Bioengineering-Probleme", sagt Brasseur. LBM prognostiziert das Verhalten der fließenden Bewegungen mathematisch, Makro-Mikro-Misch- und Transport im Darm zu modellieren. Derzeit erweitern Dr. Brasseur und das Team eine zweidimensionale LBM zu einer dreidimensionalen Studie über wie die Zotten der Verdauung helfen.

Brasseur vergleicht den Nährstofftransport der Verdauung auf Makro und Mikro-Ebene. "Wir sind binden, um zu verstehen, wie die Zotten Bewegungen Verdauung helfen. "Wir denken, dass es Verdauung helfen würde, weil es schneller als wenn waren nicht bewegt, die Nährstoffe in Kontakt mit dem Epithel bringt."

Muskel-Kontraktion ist nicht genug

In diesem Bereich der Forschung untersucht Brasseur die Flüssigkeit und Nahrung Bewegungen in den Dünndarm. Sein Forschungsteam ist die Untersuchung der Wechselwirkungen und Skalierung der Mikro-Vermischung der Zotten in Verbindung mit der Makro-Ebene Mischen der Flüssigkeit in den Darm.

"Der Prozess der Verdauung beinhaltet Interaktion zwischen den Kontraktionen der Muskulatur der Darmwand (ca. 1-2 cm Durchmesser) mit der Bewegung der Zotten (bei etwa 0,03-0,04 cm lang). Obwohl diese wirklich kleine Objekte sind, haben sie einen großen Einfluss auf die Verdauung. Die Muskelkontraktion Wand ist nicht genug, um normale Verdauung zu erklären", sagt Brasseur.

Zukunftspläne für Brasseurs Forschungsgruppe sind die LBM-Modell von fließenden Bewegungen mit "" (MD) Molekulardynamiksimulationen verschiedene Nährstoff Moleküle zu koppeln.

"Eines unserer nächsten Schritte werden einzelne Nährstoff Moleküle in unserem Modell sind," sagt er. "Wenn wir dies tun können, können wir studieren, wie bestimmte Nährstoffe, die Moleküle bewegen. Zum Beispiel können wir Zuckermoleküle mit Proteinmolekülen, vergleichen, die im Dünndarm anders bewegen. Mit diesem Projekt habe ich nun auf den gesamten Darm außer dem Doppelpunkt geforscht. Ich möchte den Doppelpunkt als nächstes studieren so kann ich sagen, dass ich den gesamten Magen-Darm-Track studiert haben."

Beratung für zukünftige Forscher befragt Brasseur sagte: "Ich empfehle für Sie zum anschauen der Welt um Sie herum und versuchen, es herauszufinden. Dies kann den Rest Ihres Lebens dauern." Es übrigens auch eine interessante wissenschaftliche Abwechslung auf Ihrer nächsten kulinarischen/ozeanographische Reise in die Karibik.

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Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sehen, die hinter den Kulissen Archiv.