مدل ساده اي از بافت قلب كه ساختار ارتباط سلول-به-سلول را واقعي‌تر از مدل‌هاي پيشين ارائه كرده، خود به خود امواج الكتريكي ‌اي را كه حاكي از شرايط خطرناك قلبي است نشان مي‌دهد.  

ضربان غيرطبيعي قلب كه فیبریلاسیون دهلیزيatrial fibrillation  (AF) ناميده مي‌شود ممكن است منجر به سكته شود اما پزشكان دقيقاً نمي‌دانند علت آن چيست. مدل رياضي جديدي از مجموع فعاليت سلول‌هاي ماهيچه‌اي قلب، مي‌تواند با نشان دادن دقيق‌تر ساختار سلول‌ها در بافت قلب نسبت به مدل‌هاي سابق به درك بهتر اين شرايط كمك كند. اين مدل جديد با پيشنهادات قبلي كه ميزان ارتباط بين تك رشته‌هاي ماهيچه‌اي را عامل كليدي در بروز AF مي‌دانند در توافق است اما از آن فراتر رفته و يك رابطه مستقيم علت و معلولي را نشان مي‌دهد. اين كار در آينده مي‌تواند با حدس اينكه مشكل دقيقاً در كدام قسمت از قلب بيمار است در درمان‌هاي جراحي مفيد واقع شود.

ضربان يك قلب سالم به طور منظم و به شكل عبور امواجي از فعاليت الكتريكي از ماهيچه‌ي قلب است كه از يك سلول ماهيچه به سلول ديگر مي‌رود. اگر ارتباط بين سلول‌ها قطع شود، اين امكان وجود دارد كه تحركات الكتريكي بافت نامنظم‌تر شده و قلب تصادفي‌تر بزند. اين حالت همان فیبریلاسیون دهلیزي است و مي‌تواند به بسياري از علائم جدي‌تر از جمله سكته منجر شود.

A. V. Holden, Nature 392, 20 (1998)

قلب ناشاد. امواج چرخشي از فعاليت الكتريكي روي سطح قلب- در اينجا مدلي از بطن يك سگ- منجر به فيبريلاسيون ميشود.

K. Christensen et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

قلب شبيه سازي شده امواج چرخشي خود به خودي ايجاد مي‌كند كه يادآور حالت فيبريلاسيون دهليزي است.  

طبق پيشنهاد مطالعات قبلي، AF تغيير وضعيت از امواج الكتريكي طبيعي، كه در قلب مشابه جبهه‌هاي موج خطي در آب منتشر مي‌شود، به جبهه‌هاي موج چرخشي يا مارپيچي‌شكلي است كه حول يك نقطه مركزي مي‌چرخند [1،2،3]. امواج چرخشي در نواحي‌اي ظاهر مي‌شود كه برهمكنش بين سلول‌هاي مجاور غيرطبيعي است- به عنوان مثال در بافت قلبِ داراي تصلب fibrosis، يعني شرايطي كه كلاژن اضافي ارتباط بين رشته‌هاي ماهيچه‌اي مجاور هم را كاهش مي‌دهد. اما دليل اينكه چرا چنين نواحي‌اي امواج چرخشي ايجاد مي‌كنند دقيقاً مشخص نشده است.

تشكيل جبهه‌هاي موج در ماهيچه قلب اغلب با استفاده از مدل‌هايي با عنوان ماشين‌هاي سلولي cellular automata مورد مطالعه قرار گرفته است كه بافت را به صورت شبكه‌اي از سلول‌ها در نظر مي‌گيرند. به هر سلول، برحسب قانوني كه حالت آن را به همسايگانش مرتبط مي‌كند، يك خالت از فعاليت الكتريكي نسبت داده مي‌شود- «برانگيخته» يا خاموش[2]. با آغاز شبيه‌سازي، حالت سلول با گذشت زمان عوض مي‌شود و مي‌تواند انواعي از فعاليت خود به خودي سازمان يافته بين تعداد زيادي سلول ايجاد كند. كيم كريستنسن Kim Christensen و همكارانش در امپريال كالج لندن مدل ماشين‌هاي سلولي‌اي را ابداع كرده‌اند كه ساختار بافت قلب را با دقت بيشتري در كنترل مي‌گيرد.

بافت قلب از رشته‌هايي از سلول‌هاي ماهيچه‌اي استوانه‌اي ساخته شده است. برهمكنش اين سلول‌ها عمدتاً به صورت سر به سر و كمتر به صورت پهلو به پهلو است. مدل كريستنسن و همكاران او به صورت چنين ساختاري است و سلول‌ها در صفحاتي دو بعدي از رشته‌هاي موازي قرار گرفته‌اند. ميزان جفت شدگي پهلو به پهلو بين رشته‌هاي مجاور با پارامتر ν نشان داده مي‌شود كه به نظر مي‌رسد عاملي تعيين كننده در تشكيل امواج چرخشي است.

اگر ν نسبتاً بزرگ باشد، آنگاه بافت شبيه سازي شده امواج خطي طبيعي توليد مي‌كند. ولي اگر ν از مقدار آستانه‌اي كمتر شود (در مورد مطالعه شده‌ي آن‌ها 20%)، يك انتقال ناگهاني به حالتي جديد وجود دارد كه در آن امواج چرخشي ايجاد مي‌شود. امواج رونده‌ي فعاليت اغلب در راستاي رشته‌ها حركت مي‌كنند اما گاهي به طور تصادفي به رشته‌هاي بعدي مي‌پرند و سپس دوباره در يك مسير حلقه‌اي سرجايشان باز ‌مي‌گردند. بعضي وقت‌ها اين حالتِ «باز-وارد‌شونده» از AF ممكن است تا از سرگيري منظم پالس‌ها فقط زمان كوتاهي طول بكشد، درست مانند AF گذرايي كه در قلب‌هاي واقعي اتفاق مي‌افتد. اما در مدل بعضي وقت‌ها هم تا مدت نامعلومي ادامه پيدا مي‌كند. سابق بر اين، مدل‌ها نيازمند نوعي مانع به عنوان بافت آسيب ديده بودند كه چنين امواجي را توليد كند اما اين مدل جديد تنها بر حسب مقدار ν خود به خود آن را انجام مي‌دهد.

بستگي شديد به ارتباط پهلو به پهلوي رشته‌ها با يافته‌هاي پزشكي نظير تصلب بافت سازگار است. بنابراين شايد پزشكان در اصل بخواهند ν را اندازه بگيرند تا ريسك AF را براي يك بيمار پيش‌بيني كنند. به گفته‌ي كيشان مناني Kishan Manani دانشجوي ارشد عضو اين گروه، MRIهاي امروزي چنين قابليتي ندارند اما فناوري‌هاي عكسبرداري ارتقاء يافته ممكن است در آينده اين امكان را فراهم كنند.

 برخي درمان‌هاي جراحي جديد براي AF شامل استفاده از تابش ميكروويو براي جدا كردن نواحي‌اي از قلب است كه امواج چرخشي از آن‌ها شروع مي‌شود. اين‌ها احتمالاً همان مناطقي هستند كه تصلب ايجاد شده است. كريستنسن و همكارانش دريافتند كه اگر ناحيه‌اي كه امواج چرخشي از آن‌ها شروع مي‌شود يعني ناحيه‌اي با ν كم در مدل آن‌ها، برداشته شده و بافت بهنجار باقي بماند، حالت AF را مي‌تواند به جبهه موج خطي بازگرداند.

سانجيو نارايان Sanjiv Narayan كارديولوژيست در دانشگاه استنفورد كاليفرنيا كه در روش جداسازي تجربه دارد مي‌گويد: «اين تحقيق جالب چهارچوبي مفهومي فراهم مي‌كند كه بسياري از ويژگي‌هاي مشاهده شده در فيبريلاسيون دهليزي در انسان را توضيح مي‌دهد». او مي‌افزايد توانايي اين مدل در پيش‌بيني نتايج حاصل از اختلالاتي خاص در ساختار قلب مانند جدا كردن بافت، هنوز بايد مورد بررسي قرار گيرد.   

تحقيق مذكور در Physical Review Letters به چاپ رسيده است.

مراجع