News: Chaos im Herzen
Herzkammerflimmern, ein lebensbedrohlicher Zustand, kann mathematisch als Chaos beschrieben werden. Dieses chaotische Verhalten lässt sich gezielt unterdrücken.
Jede Sekunde entsteht im gesunden Herz eine elektrische Erregungswelle, die das ganze Herz durchläuft und seine Kontraktion erzwingt. Manchmal aber bricht solch ein geordneter Ausbreitungsprozess zusammen. Dann wird das Herz vielen irregulären Erregungswellen ausgesetzt, die normalen physiologischen Kontraktionen verschwinden, und das gefährliche Herzkammerflimmern setzt ein. Wenn der Betroffene nicht rasch behandelt wird, ist der Herztod unvermeidbar.
Aus mathematischer Sicht lässt sich das Herzflimmern als eine besondere Form von Wellenchaos betrachten. Ein ähnliches Chaos tritt auch in chemischen erregbaren Medien auf, wie beispielsweise in der berühmten Belousov-Zhabotinsky-Reaktion. Diese oszillierende chemische Reaktion ändert rhythmisch ihren Zustand, was man am periodischen Farbwechsel erkennen kann.
Bei experimentellen Untersuchungen dieser Reaktion hatte der amerikanische Wissenschaftler Arthur Winfree bereits 1973 so genannte rotierende Scroll-Wellen entdeckt. Eine Scroll-Welle sieht in ihrem transversalen Querschnitt wie eine Spirale aus. Solche Spiralen sind übereinander gestapelt, sodass sich eine aufgerollte Struktur bildet, die sich am einfachsten als loses aufgerolltes Papierblatt vorstellen lässt. Die Wellen in dieser Struktur rotieren um einen zentralen Faden, der gerade oder gekrümmt ist, aber auch Schleifen und Ringe bilden kann.
Später sagte Winfree voraus, dass sich durch eine ungeordnete Dynamik solcher Fäden ein Chaos in dreidimensionalen erregbaren Medien entwickeln kann. Seiner Meinung nach könnte sich die Entstehung von Kammerflimmern sowie der plötzliche Herztod oft durch solche chaotischen Prozesse erklären lassen.
Gemeinsame Untersuchungen von Alexander Mikhailov vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und Sergio Alonso sowie Francesc Sagués von der Universitat de Barcelona haben nun ergeben, dass das Chaos von Scroll-Wellen tatsächlich ein typisches Phänomen ist, das auch in ganz allgemeinen Modellen erregbarer Medien beobachtet werden kann. Bereits im Jahr 2001 war es Mikhailov gelungen, chaotische Strukturen in einer chemischen Reaktion zu beobachten und sogar zu steuern.
Jetzt haben die Wissenschaftler durch mathematische Modelle bewiesen, dass das Chaos der Scroll-Wellen generell durch schwache periodische Modulation von Parametern, die die Erregungsschwelle des Mediums bestimmen, gezielt gesteuert und damit sowohl unterdrückt als auch induziert werden kann. Diese Entdeckung könnte in Zukunft, so hoffen die Forscher, zu neuen Methoden für die Unterdrückung des Herzkammerflimmerns und zur Behandlung spezieller Herzkrankheiten führen.
Aus mathematischer Sicht lässt sich das Herzflimmern als eine besondere Form von Wellenchaos betrachten. Ein ähnliches Chaos tritt auch in chemischen erregbaren Medien auf, wie beispielsweise in der berühmten Belousov-Zhabotinsky-Reaktion. Diese oszillierende chemische Reaktion ändert rhythmisch ihren Zustand, was man am periodischen Farbwechsel erkennen kann.
Bei experimentellen Untersuchungen dieser Reaktion hatte der amerikanische Wissenschaftler Arthur Winfree bereits 1973 so genannte rotierende Scroll-Wellen entdeckt. Eine Scroll-Welle sieht in ihrem transversalen Querschnitt wie eine Spirale aus. Solche Spiralen sind übereinander gestapelt, sodass sich eine aufgerollte Struktur bildet, die sich am einfachsten als loses aufgerolltes Papierblatt vorstellen lässt. Die Wellen in dieser Struktur rotieren um einen zentralen Faden, der gerade oder gekrümmt ist, aber auch Schleifen und Ringe bilden kann.
Später sagte Winfree voraus, dass sich durch eine ungeordnete Dynamik solcher Fäden ein Chaos in dreidimensionalen erregbaren Medien entwickeln kann. Seiner Meinung nach könnte sich die Entstehung von Kammerflimmern sowie der plötzliche Herztod oft durch solche chaotischen Prozesse erklären lassen.
Gemeinsame Untersuchungen von Alexander Mikhailov vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und Sergio Alonso sowie Francesc Sagués von der Universitat de Barcelona haben nun ergeben, dass das Chaos von Scroll-Wellen tatsächlich ein typisches Phänomen ist, das auch in ganz allgemeinen Modellen erregbarer Medien beobachtet werden kann. Bereits im Jahr 2001 war es Mikhailov gelungen, chaotische Strukturen in einer chemischen Reaktion zu beobachten und sogar zu steuern.
Jetzt haben die Wissenschaftler durch mathematische Modelle bewiesen, dass das Chaos der Scroll-Wellen generell durch schwache periodische Modulation von Parametern, die die Erregungsschwelle des Mediums bestimmen, gezielt gesteuert und damit sowohl unterdrückt als auch induziert werden kann. Diese Entdeckung könnte in Zukunft, so hoffen die Forscher, zu neuen Methoden für die Unterdrückung des Herzkammerflimmerns und zur Behandlung spezieller Herzkrankheiten führen.
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Max-Planck-Gesellschaft
Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine vorwiegend von Bund und Ländern finanzierte Einrichtung der Grundlagenforschung. Sie betreibt rund achtzig Max-Planck-Institute.
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