Dynamics of spatiotemporal line defects and chaos control in complex excitable systems.
Dynamics of spatiotemporal line defects and chaos control in complex excitable systems.
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DOI：
10.1038/s41598-017-08011-z
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发表时间：
2017-08-10
影响因子：
4.6
通讯作者：
Yoshikawa K
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hörning M;Blanchard F;Isomura A;Yoshikawa K
时空模式的形成控制着各种生物系统的动力学和功能。在心脏中，即使在比正常心跳异常高的频率下，可兴奋波也可以形成复杂的振荡和混沌模式，这会抑制正常的血液循环，从而增加致命心脏病的风险。先前的研究表明，线缺陷（节点线）在稳定这些不良图案方面发挥着关键作用。然而，目前尚不清楚线缺陷是心脏组织中的静态结构还是动态变化的结构。通过心脏组织观察的体外实验，我们揭示了旋转螺旋波中线缺陷的时空动态。我们将一种新颖的信号过采样技术与多维傅立叶分析相结合，表明线缺陷可以平移、合并、塌陷并形成具有偶数和奇数奇偶性的稳定奇点，同时保持组织中螺旋波的稳定振荡。这些发现提供了对一类广泛的复杂周期系统的见解，特别是对心脏病的控制和理解产生了影响。
Spatiotemporal pattern formation governs dynamics and functions in various biological systems. In the heart, excitable waves can form complex oscillatory and chaotic patterns even at an abnormally higher frequency than normal heart beats, which increase the risk of fatal heart conditions by inhibiting normal blood circulation. Previous studies suggested that line defects (nodal lines) play a critical role in stabilizing those undesirable patterns. However, it remains unknown if the line defects are static or dynamically changing structures in heart tissue. Through in vitro experiments of heart tissue observation, we reveal the spatiotemporal dynamics of line defects in rotating spiral waves. We combined a novel signaling over-sampling technique with a multi-dimensional Fourier analysis, showing that line defects can translate, merge, collapse and form stable singularities with even and odd parity while maintaining a stable oscillation of the spiral wave in the tissue. These findings provide insights into a broad class of complex periodic systems, with particular impact to the control and understanding of heart diseases.
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