Wetenschappers hebben een nieuw, algemeen raamwerk ontwikkeld voor het vergelijken van verschillende oscillaties, wat belangrijke inzichten oplevert in de neurologische en cardiale wetenschap. Door het probleem van het vergelijken van oscillatoren om te zetten in een lineair algebraprobleem, kan het team nu oscillatoren vergelijken en begrijpen waarvan eerder werd gedacht dat ze verschillende eigenschappen hadden, met toepassingen die zouden kunnen variëren van het begrijpen van hart- en hersenoscillaties tot het analyseren van de zwaai van wolkenkrabbers.
Een internationaal team van onderzoekers heeft een universele structuur voorgesteld om ‘oscillaties’ te verklaren.
De willekeurige ritmes van het leven omringen ons - van de hypnotiserende, gesynchroniseerde knipperingen van vuurvliegjes... tot het heen en weer zwaaien van een kind op een schommel... tot de subtiele veranderingen in de anders gestage "pop-pop" van het menselijk hart.
Wetenschappers hebben echter nog steeds geen idee hoe ze deze patronen, bekend als stochastische of stochastische oscillaties, echt kunnen begrijpen. Ondanks enige vooruitgang bij het analyseren van hersengolven en hartritmes zijn onderzoekers en artsen nog steeds niet in staat de talloze veranderingen en bronnen te vergelijken of te catalogiseren.
"Als we een dieper inzicht kunnen krijgen in de onderliggende oorzaken van oscillaties, kunnen we vooruitgang boeken in de neurowetenschappen, de hartwetenschappen en op veel verschillende gebieden", zegt Peter Thomas, hoogleraar toegepaste wiskunde aan de Case Western Reserve University.
Thomas maakt deel uit van een internationaal team van onderzoekers die zeggen dat ze een nieuw, algemeen raamwerk hebben ontwikkeld voor het vergelijken en contrasteren van oscillaties – ongeacht hun onderliggende mechanismen – dat op een dag een belangrijke stap zou kunnen zijn naar een volledig begrip van oscillaties.
Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.
"We hebben het probleem van het vergelijken van oscillatoren omgezet in een lineair algebra-probleem", zei Thomas. Wat we deden was veel nauwkeuriger dan eerdere onderzoeken. Dit is een grote conceptuele vooruitgang. "
Anderen kunnen nu oscillatoren vergelijken, beter begrijpen en zelfs manipuleren waarvan voorheen werd gedacht dat ze compleet andere eigenschappen hadden, zeggen de onderzoekers.
Als uw hartcellen bijvoorbeeld niet meer synchroon lopen, kunt u overlijden aan atriale fibrillatie. Maar als uw hersencellen te gesynchroniseerd zijn, kunt u de ziekte van Parkinson of epilepsie ontwikkelen, afhankelijk van waar de synchronisatie plaatsvindt in de hersenen. Door ons nieuwe raamwerk te gebruiken, kunnen hart- en hersenwetenschappers mogelijk beter begrijpen wat oscillaties kunnen betekenen en hoe het hart of de hersenen in de loop van de tijd werken of veranderen.
Thomas zei dat onderzoekers, waaronder medewerkers van universiteiten in Frankrijk, Duitsland en Spanje, een nieuwe manier hebben ontdekt om complexe getallen te gebruiken om de timing van oscillatoren en hun ‘ruis’, of onnauwkeurige timing, te beschrijven. De meeste oscillaties zijn tot op zekere hoogte onregelmatig. Het hartritme is bijvoorbeeld niet 100% regelmatig. Een natuurlijke variatie van 5% -10% in de hartslag wordt als gezond beschouwd. Het probleem van het vergelijken van oscillatoren kan worden geïllustreerd aan de hand van twee duidelijke voorbeelden: hersenritmes en zwaaiende wolkenkrabbers.
"In San Francisco zwaaien moderne wolkenkrabbers in de wind, geteisterd door willekeurig veranderende luchtstromen - ze worden iets uit de verticale richting geduwd, maar de mechanische eigenschappen van de constructie trekken ze terug", zei hij. "Deze combinatie van flexibiliteit en elasticiteit zorgt ervoor dat hoge gebouwen bestand zijn tegen schokken tijdens aardbevingen. Je zou niet denken dat dit proces te vergelijken is met hersengolven, maar ons nieuwe raamwerk maakt dat wel mogelijk."
Het is misschien nog steeds onduidelijk hoe hun ontdekking de twee disciplines werktuigbouwkunde en neurowetenschappen zal helpen. Hij vergeleek deze conceptuele vooruitgang met Galileo's ontdekking van de in een baan om Jupiter draaiende manen.
Hij zei: "Wat Galileo realiseerde was een nieuw perspectief. Hoewel onze ontdekking niet zo verreikend is als die van Galileo, is het nog steeds een verandering van perspectief. Wat we in het artikel rapporteren is een compleet nieuw perspectief op stochastische oscillatoren."