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科學(xué)家通過3D模型顯示人體內(nèi)臟器官

    據(jù)美國生活科學(xué)網(wǎng)報道，目前，美國科學(xué)家對人體的消化系統(tǒng)進行了深入分析，并以3D形式清晰地呈現(xiàn)人體腸道活動的情況。

    當(dāng)潛水員帶著水中呼吸器在海底搜集珊瑚時，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(yǎng)的有機物，這些物質(zhì)是維持它們生命的必要性食物。當(dāng)珊瑚誘捕營養(yǎng)物質(zhì)時，當(dāng)前的水流和海浪將把海水和營養(yǎng)物質(zhì)混合在一起，其結(jié)果將形成一種動態(tài)效應(yīng)——液體和營養(yǎng)物質(zhì)交互。

    以上珊瑚的生活習(xí)性與人體消化系統(tǒng)交互反應(yīng)所形成的營養(yǎng)交換混合十分相似，在人體消化管道，營養(yǎng)物質(zhì)通過肌肉運動將濃縮在消化系統(tǒng)內(nèi)“穿梭”，這導(dǎo)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(xiàn)前后“晃蕩”。腸道在其內(nèi)壁也分布著微型觸角，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(yǎng)物質(zhì)，小腸絨毛的運動導(dǎo)致腸道內(nèi)液體形成不同方向的漩渦，這將產(chǎn)生大量小型漩渦和交互式反應(yīng)，從而增強消化能力。

    小腸絨毛如何促進消化

    小腸內(nèi)小腸絨毛和營養(yǎng)物質(zhì)的交互反應(yīng)很微弱，甚至很難用人體肉眼進行觀測。目前，研究人員采用先進磁共振成像(MRI)技術(shù)對小腸絨毛進行了呈像，這樣有助于人們揭示腹部出現(xiàn)咕嚕聲響的真實腸道液體運動狀況。

    就如同藝術(shù)家將一種物質(zhì)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(xué)科研究小組在賓夕法尼亞州立大學(xué)通過研究展現(xiàn)出人體消化系統(tǒng)的三維微觀景象。首先，研究小組對腸道內(nèi)液體移動的肉眼可見傳輸進程進行了呈像；然后，布拉塞爾采用機械-生理學(xué)、數(shù)學(xué)建模、計算機模擬和成像分析，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(xué)介入解決的醫(yī)學(xué)問題，我關(guān)注兩類問題：腸胃管道的神經(jīng)生理學(xué)、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(yǎng)物質(zhì)傳輸?shù)慕Ｔ煨秃突旌显谛∧c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(yù)測液體運動變化，從算術(shù)學(xué)角度模擬人體腸道中宏觀-微觀物質(zhì)的混合和傳輸。他說，“LBM是分析人體生物工程學(xué)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(xié)助人體消化進程。

    布拉塞爾對比了人體消化進程營養(yǎng)物質(zhì)傳輸?shù)暮暧^和微觀等級，他說，“我們正試著理解小腸絨毛運動如何幫助消化系統(tǒng)，我們認為小腸絨毛可促進人體消化是由于它使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)比不運動狀態(tài)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(nèi)液體和食物的運動。研究小組分析了人體腸道內(nèi)的交互式反應(yīng)，并對小腸絨毛微觀運動結(jié)合腸道液體宏觀等級變化進行縮放性分析。布拉塞爾說，“人體消化過程與腸道內(nèi)壁(直徑1-2厘米)的肌肉收縮和小腸絨毛(0.03-0.04厘米長)運動產(chǎn)生交互作用，盡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(tǒng)。腸道壁肌肉的不充分收縮將說明具有正常的消化能力。”

    布拉塞爾研究小組今后的研究將結(jié)合應(yīng)用離散格子玻爾茲曼方法的液體運動模型和“分子動力學(xué)”(MD)方法模擬腸道內(nèi)不同類型的營養(yǎng)分子。他說，“下一步我們將對人體消化系統(tǒng)內(nèi)個別營養(yǎng)分子進行研究，我們將研究特殊的營養(yǎng)分子是如何運動的。比如：我們可以對比糖分子和蛋白質(zhì)分子，它們在小腸內(nèi)的運動形式有很大程度的差異。目前，我們是對除結(jié)腸之外的人體內(nèi)臟消化進行研究，下一步我們將對結(jié)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。” #p#page_title#e#