美國科學家以3D圖像呈現:人體內臟消化反應(圖)

2008年10月08日 08:44   來源:中國經濟網綜合   魏冬

 

科學家通過3D模型顯示人體內臟器官

 

    據美國生活科學網報道,目前,美國科學家對人體的消化系統進行了深入分析,並以3D形式清晰地呈現人體腸道活動的情況。

    當潛水員帶著水中呼吸器在海底蒐集珊瑚時,他們呼吸吐出的泡沫會漂浮在水面上。珊瑚移動它們的觸角來捕捉浮游生物和其他富有營養的有機物,這些物質是維持它們生命的必要性食物。當珊瑚誘捕營養物質時,當前的水流和海浪將把海水和營養物質混合在一起,其結果將形成一種動態效應——液體和營養物質交互。

    以上珊瑚的生活習性與人體消化系統交互反應所形成的營養交換混合十分相似,在人體消化管道,營養物質通過肌肉運動將濃縮在消化系統內“穿梭”,這導致食物沿著消化管道的一個方向壓縮,其作用就如同海洋水流。類似于珊瑚隨著海水晃動,人體腸道有條理的蠕動運動,腸道壁出現前後“晃蕩”。腸道在其內壁也分佈著微型觸角,這些觸角是人體肉眼無法觀看到的,被稱為“小腸絨毛”(villi)。小腸絨毛也有肌肉組織,因此它們擺動時混合著沿腸道壁運動的營養物質,小腸絨毛的運動導致腸道內液體形成不同方向的漩渦,這將産生大量小型漩渦和互動式反應,從而增強消化能力。

    小腸絨毛如何促進消化

    小腸內小腸絨毛和營養物質的交互反應很微弱,甚至很難用人體肉眼進行觀測。目前,研究人員採用先進磁共振成像(MRI)技術對小腸絨毛進行了呈像,這樣有助於人們揭示腹部出現咕嚕聲響的真實腸道液體運動狀況。

    就如同藝術家將一種物質的深度和模型形成視覺外型,詹姆士布拉塞爾(James Brasseur)和他的多學科研究小組在賓夕法尼亞州立大學通過研究展現出人體消化系統的三維微觀景象。首先,研究小組對腸道內液體移動的肉眼可見傳輸進程進行了呈像;然後,布拉塞爾採用機械-生理學、數學建模、電腦模擬和成像分析,對人體腸胃管道進行了特殊研究。他用一段話描述自己的研究工作:“我的工作是需要工程學介入解決的醫學問題,我關注兩類問題:腸胃管道的神經生理學、臨床評估及治療。”

    在研究小組成員的幫助下,布拉塞爾研究了營養物質傳輸的建模造型和混合在小腸道中的宏觀微粒子。研究小組使用離散格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method,簡稱LBM)建立了一個二維多比例模型。布拉塞爾稱,LBM方法能夠預測液體運動變化,從算術學角度模擬人體腸道中宏觀-微觀物質的混合和傳輸。他説,“LBM是分析人體生物工程學問題的一種計算性工具。”目前,布拉塞爾和研究小組將二維LBM圖像延伸成為一個三維圖像,從而研究小腸絨毛如何協助人體消化進程。

    布拉塞爾對比了人體消化進程營養物質傳輸的宏觀和微觀等級,他説,“我們正試著理解小腸絨毛運動如何幫助消化系統,我們認為小腸絨毛可促進人體消化是由於它使營養物質比不運動狀態下更快地接觸腸道上皮細胞。”

    腸壁肌肉不完全收縮表明人體消化正常

    在這項研究中,布拉塞爾研究小腸內液體和食物的運動。研究小組分析了人體腸道內的互動式反應,並對小腸絨毛微觀運動結合腸道液體宏觀等級變化進行縮放性分析。布拉塞爾説,“人體消化過程與腸道內壁(直徑1-2釐米)的肌肉收縮和小腸絨毛(0.03-0.04釐米長)運動産生交互作用,儘管它們是非常微觀的事物,卻很大程度上影響了人體消化系統。腸道壁肌肉的不充分收縮將説明具有正常的消化能力。”

    布拉塞爾研究小組今後的研究將結合應用離散格子玻爾茲曼方法的液體運動模型和“分子動力學”(MD)方法模擬腸道內不同類型的營養分子。他説,“下一步我們將對人體消化系統內個別營養分子進行研究,我們將研究特殊的營養分子是如何運動的。比如:我們可以對比糖分子和蛋白質分子,它們在小腸內的運動形式有很大程度的差異。目前,我們是對除結腸之外的人體內臟消化進行研究,下一步我們將對結腸進行分析。這樣我們才能有資格稱對整個腸胃管道進行完整性研究。”(來源:新浪科技/魏冬)    

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