This post is also available in Engels .
De term ‘actieve deeltjes’ is een verzamelnaam voor allerlei entiteiten die met behulp van energie kunnen bewegen en veranderen, zoals bacteriën, robot-zwermen, en eiwitten in cellen. In plaats van passief rond te worden gestuurd zoals gevallen herfstbladeren, kunnen deze deeltjes energie van binnenuit of buitenaf omzetten in doelgerichte beweging of verandering van hun toestand. Hun ‘gedrag’ is niet evenwichtig omdat ze door hun brandstofverbruik alle kanten uit kunnen. Veel neurale en cellulaire processen zijn bijvoorbeeld biochemisch aangedreven, adaptief en rumoerig. Met modellen van actieve deeltjes kunnen we deze rommelige, uit evenwicht geraakte effecten op een gecontroleerde, eenvoudige manier testen.
Microscopisch niveau
De meest directe verbinding tussen beide domeinen vind je op microscopische schaal. Binnen axonen vervoeren moleculaire motoren kleine blaasjes over cellulaire ‘sporen’ met gebruik van chemische energie. Fysici omschrijven zulke blaasjes als auto’s op een eenbaansweg met files, inhaalacties, en voorrang stroken. Dit soort verkeersproblemen worden als analogie gebruikt voor verstoringen in de neurale stofwisseling bij bepaalde neurodegeneratieve aandoeningen zoals dementie.
Een tweede link is de gerichte medicijnafgifte in het brein. Nanodeeltjes die worden aangedreven door magnetische, akoestische, of chemische krachten vertonen kenmerken van actieve deeltjes. Ze kunnen aan vaatwanden kleven en weer loskomen, en reageren op chemische of mechanische gradiënten. Door ze als actieve deeltjes te modelleren, kunnen onderzoekers beter voorspellen hoe ze bijvoorbeeld de bloed-hersenbarrière kunnen passeren, ‘dode hoeken’ in de microcirculatie kunnen vermijden, en zich gericht kunnen ophopen bij tumoren of interne ontstekingen om het genezingsproces te bevorderen.
Cellulair niveau
Bij actieve deeltjes gaat het niet slechts om fysieke beweging. Neuronen verbruiken aan één stuk door energie om ionen-gradiënten te handhaven en hun activatie te reguleren. Daardoor verkeren ze eveneens, door eigen toedoen, in een onevenwichtige toestand. De snelheden waarmee neuronen vuren kunnen worden beschreven als actieve deeltjes in een denkbeeldige ruimte, waarbij elk deeltje een voorkeursrichting en mate van consistentie heeft, plus asymmetrische interacties: neuron A beïnvloedt neuron B sterker dan andersom. Deze asymmetrie en het continue energieverbruik zijn typische kenmerken van actieve deeltjes.
Andere voorbeelden zijn zogeheten fase-oscillator netwerken die hersenritmes beschrijven, zoals binaire ‘spin’-modellen die schakelen tussen actieve en inactieve toestanden, of stochastische integrate-and-fire-populaties waarin aanpassing energie kost. Aan de hand van zulke modellen kunnen we een hoop leren over spontaan gedrag en zelforganisatie in dergelijke deeltjes-populaties, waar we anders lastig achter zouden kunnen komen. Ze laten ons zien hoe beperkte ‘energie-budgetten’, zoals de tank van je auto, hersencircuits dwingen om hun snelheid precies af te wegen, of hoe beperkingen op het niveau van stofwisseling of synapsen onze hersenactiviteit beïnvloeden.
Macroniveau
Met het blote oog zijn er ook allerlei actieve deeltjes-systemen te vinden, zoals vogelzwermen, scholen van vissen, migrerende kuddedieren, of verkeersstromen.
Het interessante is hun grootschalig complexe dynamiek verklaard kan worden aan de hand van een simpele set regels. Begrip van zulke ‘zelforganiserende’ systemen leert ons een hoop over concepten als stabiliteit, veerkracht en verstoringen in andere complexe netwerken zoals het brein of de maatschappij. In combinatie met genetische algoritmen kunnen zulke modellen zelfs de werking van culturele evolutie nabootsen: model-wezentjes leren hun communicatie- en gedragsregels aan te passen om te kunnen overleven.
Conclusie
Actieve-deeltjes-modellen zijn geen vervanging van de klassieke neurowetenschap, maar vormen een nieuwe handige gereedschapskist. Door naar het brein te kijken als een verzameling aan energie-afhankelijke, regel-volgende, ruizige deeltjes, kunnen we veel nieuws ontdekken over onder andere: zelforganisatie in neurale activatie, ‘besmettelijkheid’ van beïnvloeding, en levendigheid van data. Zo bieden actieve deeltjes een waardevol nieuw raamwerk, met uitzicht dat reikt van molecuul tot maatschappij.
Auteur: Siddharth Chaturvedi
Buddy: Helena Olraun
Redactie: Xuanwei Li
Vertaling: Wieger Scheurer
Redactie vertaling: Natalie Nielsen
About The Author
