达芬奇在500年前的提问，《Nature》终于有了答案

　　

达芬奇手稿

2020年8月19日，剑桥的研究人员调查了心脏内表面的复杂肌肉纤维网的功能。这项发表在《自然》杂志上的研究揭示了达芬奇500年前提出的问题，并展示了这些肌肉的形状如何影响心脏功能和心力衰竭。

该项目包括EMBL欧洲生物信息学研究所（EMBL-EBI）、冷泉港实验室、MRC伦敦医学科学研究所、海德堡大学和米兰理工大学的合作者。

人类，心脏是第一个发育的功能器官，在受孕4周后就开始自发跳动。在发育早期，心脏生长出一个复杂的肌纤维网（trabeculae），在心脏内表面形成几何图案。它们被认为有助于心脏发育过程中的氧合，然而，自16世纪以来，它们在成人中的作用一直是一个悬而未决的难题。

为了了解trabeculae的作用和发展，一个国际研究小组利用人工智能分析了25000个心脏磁共振成像（MRI）扫描，以及相关的心脏形态和基因数据。这项研究揭示了心脏trabeculae是如何工作和发展的，以及它们的形状如何影响心脏病。英国生物银行已经公开了研究数据。

达芬奇生物之谜

列奥纳多•达芬奇是16世纪第一个绘制心脏trabeculae及其雪花状分形图案的人。他推测，当血液流经心脏时，它们会温暖血液，但直到现在，它们的真正重要性才被认识到。

“我们的研究结果回答了人类基础生物学中非常古老的问题。随着大规模基因分析和人工智能的发展，我们正在将我们对生理学的理解重新引导到一个前所未有的规模，”EMBL的副主任Ewan Birney说。
研究表明，心室粗糙的表面使血液在每次心跳时都能更有效地流动，就像高尔夫球上的小窝减少了空气阻力，帮助球跑得更远。

这项研究还强调了人类DNA中影响这些肌肉纤维分形图案形成的六个区域。有趣的是，研究人员发现其中两个区域也调节神经细胞的分支，这表明在发育中的大脑中也有类似的机制在起作用。

冷泉港实验室的主要研究者Ewan Birney解释说：“我们的研究大大提高了我们对心肌小梁重要性的认识。或许更重要的是，我们还展示了一支真正的多学科研究团队的价值。通过将遗传学、临床研究和生物工程相结合，我们才发现心肌小梁在成人心脏功能中的意外作用。”

trabeculae与心力衰竭的风险

研究人员发现，trabeculae的形状影响心脏的功能，这表明它可能与心脏病有关。为了证实这一点，他们分析了5万名患者的基因数据，发现这些肌肉纤维中不同的分形图案影响了发生心力衰竭的风险。

对trabeculae的进一步研究可能有助于科学家更好地了解常见心脏病是如何发展的，并探索新的治疗方法。

“达芬奇在500年前就画出了心脏内这些错综复杂的肌肉，直到现在我们才开始了解它们对人类健康的重要性，”伦敦医学研究所的医学顾问Declan说。“这项研究为伦敦的心脏病研究提供了令人兴奋的热点。”

原文检索：Genetic and functional insights into the fractal structure of the heart

（生物通：伍松）