關於為何心跳如此重要的一大發現…

§ 翻譯原文:Scientists Might Finally Understand One of the Most Basic but Mysterious Aspects of Our Heartbeats

「心跳」這件聽起來稀鬆平常、對我們而言又如此重要的事,你或許會認為科學家們早已對它了解透徹了,但其實幾世紀以來,「心跳」背後的物理機制對人類仍是個謎。心臟會像幫浦那樣運作大家都懂,但還沒有人能完整解釋它是「如何充滿血」的;但如今,一項研究終於從物理原理上徹底解開了這個謎

先簡單複習一下,我們的心臟大約是一個拳頭那麼大,由四個腔室組成;上層的兩個稱為「心房」,下層個兩個是「心室」。

human heart_eng
Remixed by Lisa Wu, original photo credit: Own work, CC BY-SA 3.0

 

缺氧血會從右心室離開心臟被送入肺部,在那裡交換了氧氣後變為充氧血,再進入左心房;這些充氧血會接著再由左心室打出心臟,流遍身體各部位、將氧氣輸送給它們,最後再進入右心房。

Pe GIF - Find & Share on GIPHY

目前為止都沒什麼問題,這流程科學家早已記得滾瓜爛熟但對於它到底為什麼、如何發生的,他們仍不是那麼清楚。到底是何種物理機制導致心室能夠被血液迅速地填滿呢?

CG Heart.gif
photo credit: DrJanaOfficial-Own work, CC BY-SA 4.0

最近,由瑞典皇家理工學院帶領的研究團隊揭開這秘密。透過心血管核磁共振造影,他們追蹤當心臟跳動時各個心房、心室的大小變化,他們的研究結果告訴全人類:「液壓」如何參與在這跳動的過程中──也就是汽車煞車以及起重機運作的原理。

這不只是個關於人體重要機能的有趣新發現,這項發現甚至可能為日後對於心臟衰竭和心臟病的治療開闢出一條新路。

「雖然這原理聽起來淺顯易懂,但過去我們其實一直忽視了液壓對於心跳機制的影響力。」研究主持人Martin Ugander表示,「這個發現非常令人興奮,因為它將能用來開發新的心臟衰竭治療方式,這些方式包括透過縮減心房體積來治療。」

那麼為何我們花了這麼長的時間才搞懂它呢?過去好幾年內,人類才解出了這拼圖的一小部分。

生物學家早已了解,一種位於心肌細胞中的「肌聯蛋白(titin」是賦予心臟彈力、讓心室能夠注滿血液的主要成分。但光是這蛋白質本身的彈力,不太可能讓血液如此「快速」地充滿心臟。

這團隊近年來轉而探討物理方面的問題,他們利用心血管核磁共振造影技術,測量健康心臟在舒張期(心室會充滿血液的階段)時心房和心室的大小變化。接著他們做出心房和心室的實體模型(大約像是一個活塞構造),來看看在物理上心臟舒張時發生了什麼事。

他們發現在舒張期時,讓左心室充滿血液的尖峰力道有10-60%並非來自於心肌細胞的舒張力,而是由「液壓」液體流動到一區域時形成的壓力造成。

Heart GIF - Find & Share on GIPHY

這股由液體造成的壓力,原理和汽車剎車時的力量來源一樣,物理上稱做「帕斯卡定律」。在心臟中,這股液壓是由心臟房室間的相對大小造成;舒張期時,位於上方的心房比下方的心室小,因此當房室間的瓣膜打開時,血液會為了補足壓力而從心房快速衝入心室。

下方的影片可以清楚看到這步驟的動作:

「心臟的幾何構造對於這股力道非常重要」,皇家理工學院解釋道,「因為心房體積略小於心室,所以自然產生了這股壓力,使得心臟房室能夠充滿血液。」

心臟衰竭的病人其實許多問題都出在這舒張期(或說心室要被血液填滿的期間),研究團隊解釋,這時經常能觀察到他們的心房有增大的情況。

這項研究告訴我們,假如心房的體積大過心室,能擠出血液的液壓就會變小,導致心臟無法好好被血液充滿。

研究團隊的一員Elira Maksuti表示,「對於心臟衰竭的患者,應該多注意它們心室的功能;我們認為在診斷和治療時,測量心房和心室並評估它們的相對體積也將會是重點之一。」

雖然目前這只是單一篇研究,在醫療上對於心臟功能和病變真要全盤改觀仍有待更多的研究和發現;但原來我們身體這麼基本的功能仍藏著許多謎團待解決,這仍是令人驚嘆的一件事!

此研究已被發表於期刊《科學報導(Scientific Reports)》中。

Heart
photo credit: Códice Tuna Colectivo de Arte@flickr
profile photo credit: KayVee.INC @flickr
廣告