L’intestino non è un tubo passivo. Si contrae, si rilassa, spinge il cibo avanti con un ritmo che sembra orchestrato. Ma come fa a coordinarsi nella digestione? Un team dell’Università della California a San Diego ha scoperto che ogni tratto intestinale è un oscillatore con la propria frequenza. Quando le frequenze sono simili, si agganciano l’una all’altra in successione, tipo scalini. Questo effetto scalinata è quello che permette al cibo di muoversi in una sola direzione e di venire rimescolato nel modo giusto.
Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, parte dal cervello ma finisce nell’intestino per rispondere a una domanda vecchia come l’uomo: come si sincronizzano i sistemi biologici?
Quando gli orologi si parlano
La sincronizzazione è ovunque in natura. Due orologi a pendolo appesi vicini finiscono per battere all’unisono. Le lucciole lampeggiano insieme. Nel cervello, i vasi sanguigni si espandono e si contraggono in modo coordinato per portare ossigeno dove serve. David Kleinfeld, fisico e neurobiologo dell’UC San Diego, aveva notato che applicando uno stimolo esterno a un neurone, l’intera rete vascolare si agganciava alla stessa frequenza. Ma quando stimolava due gruppi di neuroni a frequenze diverse, succedeva qualcosa di inaspettato: alcuni vasi si agganciavano a una frequenza, altri a un’altra. Si formavano gradini.
Per capire il fenomeno, Kleinfeld ha cercato un sistema più semplice della complessa rete cerebrale. L’intestino è risultato il candidato perfetto: unidirezionale, con un gradiente di frequenze che va dall’alto (intestino tenue) al basso (colon). È proprio questo gradiente che fa muovere il cibo in una sola direzione, dall’inizio alla fine del tratto digestivo.
Peristalsi, la matematica della digestione
Insieme al collega Massimo Vergassola, esperto di fisica dei sistemi viventi, e ai ricercatori Marie Sellier-Prono e Massimo Cencini, il team ha sviluppato un modello matematico degli oscillatori accoppiati applicato all’intestino. La peristalsi intestinale, quel movimento ondulatorio che tutti conosciamo, è generata da contrazioni ritmiche dei muscoli.
Ogni sezione dell’intestino oscilla a una propria frequenza, ma non in modo isolato: parla con le sezioni vicine.
Come spiega Vergassola:
“Gli oscillatori accoppiati si parlano tra loro. Ogni sezione dell’intestino è un oscillatore che comunica con le sezioni vicine. Normalmente si studiano in condizioni omogenee, con frequenze simili. Nel nostro caso le frequenze erano più variate, proprio come nell’intestino e nel cervello”.
Il punto chiave è l’effetto scalinata. Quando le frequenze sono abbastanza simili, si agganciano formando gradini: un gruppo di sezioni intestinali oscilla alla stessa frequenza, poi c’è un salto, e un altro gruppo oscilla a una frequenza leggermente diversa. Questi gradini si susseguono dall’inizio alla fine dell’intestino, creando un flusso unidirezionale.
Due domande, una risposta
Prima di questo studio, si sapeva che nell’intestino avveniva un effetto scalinata. Ricerche precedenti avevano osservato che frequenze simili si agganciano tra loro, permettendo il movimento ritmico del cibo. Ma tre aspetti fondamentali restavano senza risposta: l’altezza dei gradini, la lunghezza delle sezioni sincronizzate e le condizioni precise in cui il fenomeno si verifica. Il nuovo modello matematico risolve tutto in un colpo solo.
“La matematica era stata risolta in modo approssimativo, ma non in un modo che spiegasse i gradini e cosa succede nei punti di rottura. Questa è una scoperta critica”, ha dichiarato Kleinfeld.
La soluzione risponde simultaneamente a due domande biologiche di lunga data: come il cibo si muove attraverso il tratto digestivo e come viene rimescolato durante il processo. Il rimescolamento è cruciale per la digestione: permette agli enzimi di raggiungere tutte le molecole alimentari e alla mucosa intestinale di assorbire i nutrienti in modo efficiente.
Dai disturbi della digestione al cervello
Il team spera che questo lavoro supporti ulteriori ricerche sui disturbi della motilità gastrointestinale, patologie legate alla peristalsi alterata. Quando il gradiente di frequenze non funziona correttamente, possono insorgere problemi come stitichezza cronica, sindrome dell’intestino irritabile o, nei casi più gravi, pseudo-ostruzione intestinale. Come abbiamo raccontato in passato, comprendere i meccanismi fondamentali dei sistemi biologici apre la strada a interventi più mirati.
Il prossimo obiettivo? Tornare al cervello. Se l’intestino è unidirezionale con un gradiente semplice, la vascolarizzazione cerebrale ha centinaia di direzioni diverse. Gli scalini nel cervello seguono percorsi multipli con lunghezze variabili, tutti simultaneamente. “Il cervello è infinitamente più complicato dell’intestino, ma questa è la scienza nel suo aspetto migliore”, conclude Kleinfeld.
“Fai una domanda, ti porta altrove, risolvi quel problema, poi torni alla domanda originale”.
Lo studio è stato finanziato dal National Institutes of Health BRAIN Initiative e coinvolge ricercatori di tre paesi: Stati Uniti, Francia e Italia. Un lavoro che parte dalla fisica teorica e arriva alla biologia applicata, passando per la matematica degli oscillatori.
Il tipo di ricerca che sembra astratta, finché non ti ricordi che stiamo parlando di come funziona la tua digestione ogni singolo giorno.
