觀察葉子或蜻蜓翅膀上精細的分支圖案，你會看到一個複雜的巢狀環路網路。這種模式可以在自然界和結構工程中隨處可見：在大腦的腦血管系統中、地下真菌群中、覓食黏菌的複雜形狀中以及埃菲爾鐵塔的金屬支架中。
環路結構，就像冗餘的計算機網路或電網一樣，使結構具有抗損傷能力。正如洛克菲勒大學的物理學家馬塞洛·馬格納斯科指出的那樣，埃菲爾鐵塔是環路結構的典型例子，其設計旨在最大化應力在其遞迴框架上的分佈。但是，儘管自然界中有許多環路設計的例子，但令人驚訝的是，人們對葉子和皮質血管中的網路為何如此組織知之甚少。
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“我們完全、令人厭惡地理解實體之間連線的物理原理，”馬格納斯科在談到簡單的迴圈系統時說道。“儘管如此，我們不理解整體模式。我們不知道它們為什麼看起來是這樣，也不知道為什麼每棵樹都不一樣。”
埃菲爾鐵塔包含許多巢狀的環路，旨在將應力分佈在整個結構上。
圖片：由《量子雜誌》提供
在過去的幾年裡，馬格納斯科和其他人已經開始探索為什麼這些模式在自然界中如此常見。對葉子和大腦血管系統的研究證實，巢狀環路提供了一種抗損傷的結構，可以有效地處理流體流量的波動。現在，科學家們開始量化這些網路的特性，深入瞭解它們的基本特徵，例如韌性，並允許在網路之間進行更具資訊的比較。
“植物是物理學家研究的絕佳系統，因為它們在數學上非常漂亮，”德國哥廷根的馬克斯·普朗克動力學與自組織研究所的物理學家埃萊尼·卡蒂福裡說道，她與馬格納斯科合作。她說，植物是迭代生長的，並且經常表現出類似晶體的圖案，例如我們在松果和向日葵中看到的圖案。“希望如果我們瞭解靜脈的結構，我們將更好地掌握植物的光合作用效率。”
瞭解葉脈也可能有助於瞭解大腦表面複雜得多的血管網路，從而闡明大腦活動和血流之間的密切聯絡。這種關係雖然仍然知之甚少，但為功能性磁共振成像（當今使用最廣泛的腦成像技術之一）提供了基礎。
繪製這些網路可能會精確定位大腦中特別容易發生中風的部位，並且可以深入瞭解血流在阿爾茨海默病和其他認知問題中的作用。“你可以想象觀察患病的大腦，並試圖確定這些基本引數是否有任何不同，以及它如何與疾病的進展相關，”波士頓馬薩諸塞州綜合醫院的物理學家大衛·博厄斯說道。
由於迴圈系統可以表示為連線管道的網路，並且具有控制流體流動的眾所周知的方程式，因此物理學家可以相對容易地模擬像葉脈這樣的簡單網路。透過研究這些系統，馬格納斯科希望揭示靜脈大小、它們連線的角度以及網路中不同尺度的結構是如何組合在一起的原因。
馬格納斯科說，分析容易視覺化的網路的方法，然後可以應用於更難以建模的生物網路，例如相互作用的基因和蛋白質網路或大腦中的神經元網路。馬格納斯科說，葉子是“研究的好選擇，因為其他網路的困難不存在”。
蜻蜓的翅膀也具有環路網路，這使它們具有抗損傷能力。
圖片：馬塞洛·馬格納斯科
構建一片葉子
在建立高效網路時，進化必須考慮兩個因素：構建網路的成本和運營網路的成本。對於血管系統，這轉化為製造靜脈和透過靜脈泵送流體的成本。執行成本最低的網路是一個簡單的分支樹結構，一些古老的植物採用了這種結構。雖然效率很高，但這種結構的彈性並不強。當連結損壞時，系統的某些部分會遭受液體流失並死亡。
為了嘗試瞭解靜脈結構的拓撲結構，卡蒂福裡和馬格納斯科構建了一個簡單的網路模型，試圖捕捉其基本特徵。他們將靜脈（稱為木質部）建模為具有不同流量和壓力的管道網路。在給定有限數量的管道的情況下，他們詢問，應該如何分配管道以最大程度地減少水壓下降並使系統儘可能具有抗損傷能力？在現實世界中，“如果昆蟲咬一口葉子，它仍然可以正常工作，”卡蒂福裡說道。
他們發現，分層巢狀的環路結構（意味著環路內有環路，環路內又有環路）最能抵抗損傷。“環路使網路冗餘，”卡蒂福裡說。“如果你有損傷，水可以被重新導向其他通道。”該模型產生的結構，去年發表在PLoS ONE上，看起來非常像在某些葉子中發現的結構。
熒光流體流過受損葉子的引人注目的影片使研究人員能夠量化水如何繞過損傷部位流動。銀杏葉是一種進化上古老的植物，其結構是樹狀的而不是環狀的，它沒有表現出相同的彈性。
研究人員還發現，隨著環境條件的變化，環路網路可以更好地處理流體流量的波動。
卡蒂福裡和馬格納斯科現在正在模擬自適應環路網路，該網路會隨著環境的變化而進化，並且可能在真菌、黏菌甚至動物發育中的血管系統中發揮作用。例如，黏菌會不斷改變形狀，伸出長長的手指，通常以環狀網路的形式，尋找食物。在一個引人注目的實驗中，日本研究人員在表面上長出了黏菌，表面上點綴著燕麥片，這些燕麥片的排列模仿了東京周圍的城市。黏菌生長成一個類似於東京高效鐵路系統的環狀網路。
齧齒動物皮質表面的血管形成一個環路網路，即使在輕微損傷後，血液也能快速流向任何區域。
圖片：巴勃羅·布林德和大衛·克萊因費爾德
繪製血管圖
高效的血液流動是大腦功能的重要組成部分，大腦缺乏廣泛的能量儲存機制：帶電神經元必須迅速補充。因此，大腦精確地調節血液流動，增加向目標區域的輸送。“血液流動的這種微調發生在非常區域性的水平上，可能遠低於毫米範圍，”蘇黎世大學的神經科學家布魯諾·韋伯說。
十多年前，加州大學聖地亞哥分校的物理學家和神經科學家大衛·克萊因費爾德及其合作者發現，他們可以監測齧齒動物大腦中單個毛細血管的血液流動。他們發現血液流動經常反轉方向，這強烈表明血管網路形成了環路結構。“有一種預感，血管系統比我最初想象的更有趣，”克萊因費爾德說道。
幾年前，克萊因費爾德的團隊發現，大鼠體感皮層（當動物使用鬍鬚在周圍環境感知時活躍的大腦部分）中的表面血管系統以隨機的一系列相互連線的環路排列。這種安排使血液能夠從各個方向流向特定的位置，從而使該位置的神經元獲得所需的燃料。“如果環路在二維晶格中隨機連線，血液可以徑向移動到帶電的位置，”克萊因費爾德說道。
2010年，研究人員繪製了覆蓋大鼠和小鼠新皮層表面的血管網路，即大腦皮層的外層。“我們預感它形成了一個網格，所以我們完全填充了血管並繪製了表面，”克萊因費爾德說道。“大部分血管都在環路結構中。”科學家們懷疑網路存在一定程度的冗餘，但克萊因費爾德的團隊提供了新的細節。“我們是第一個繪製整個地圖並掌握拓撲結構的人——量化網路並使用它來計算流量，”克萊因費爾德說道。
研究人員使用該連線圖來執行計算機模擬，模擬網路中的單個血管被阻塞時會發生什麼。在模型和真實的大腦中，阻塞二維晶格中的血管幾乎沒有影響。血液只是透過其他血管流動。這一發現反映在臨床實踐中：從未在大腦表面檢測到中風。“我們的推測是因為它是這樣構建的，”克萊因費爾德說道。
然後，克萊因費爾德和合作者深入大腦，檢查為體感皮層的神經元提供血液的血管網路。在7月份發表在《自然神經科學》雜誌上的一篇論文中，研究人員表明毛細血管形成一個連續的網路。“這意味著微血管（毛細血管）彼此之間完全連線，”克萊因費爾德說。“沒有孤立的血管區域，沒有房地產術語中的封閉社群。”
恆河三角洲形成一個複雜的環狀網路。
圖片：谷歌地球
研究人員使用了一種稱為圖論的統計力學方法來了解頂點正好有三條邊的網路形成血管的後果，這在實驗室中先前已經觀察到。（此處，“邊”指的是血管。）克萊因費爾德的合作者、加州大學聖地亞哥分校的物理學家哈里·蘇爾表明，這是一種特別穩健的結構。“這與每個頂點的邊數不固定的圖形成對比，就像網際網路上發生的那樣，”克萊因費爾德說。
與表面網路一樣，阻塞毛細血管系統中的血液流動對更大的網路幾乎沒有影響——血液只是重新定向了自身。但是，阻塞穿透血管（從皮質表面深入大腦）會產生嚴重的後果。血液流動被阻塞，周圍的腦組織死亡。穿透血管容易阻塞，因為它們不形成環路，但克萊因費爾德懷疑這種結構為將血液重新分配到大腦的特定部位提供了一種有效的方法。
這在臨床上的意義尚不明確。神經科醫生不會報告由穿透血管阻塞引起的卒中，但這主要是因為這些血管太小，無法用典型的腦成像裝置觀察到，而且單獨來看不太可能引發症狀。然而，荷蘭烏得勒支大學醫學中心的神經科醫生 吉爾特·簡·比塞爾斯表示，新的、更高功率的腦成像技術使得檢測非常小的病變成為可能，儘管解析度還達不到穿透血管本身的水平。他還補充說，來自腦部屍檢的證據表明，這種微卒中“可能是死前幾年認知能力下降和痴呆的重要標誌”。
大腦中的環路
利用他們繪製大腦血管系統的新工具，克萊因費爾德的團隊計劃探索大腦迴圈系統在具有特定突變的齧齒動物中，或在其他物種中如何變化。“現在我們可以開始研究不同的血管系統，並瞭解為什麼它們會以現在的方式構建，”克萊因費爾德說。
對缺乏氧氣感應蛋白的小鼠進行的初步檢查顯示出結構發生了顯著改變：與典型動物不同，突變小鼠缺乏大腦表面血管的二維晶格結構。“你所擁有的只是三維結構，”克萊因費爾德說。“它就像一個由小管道組成的魯布·戈德堡機械。”
韋伯和克萊因費爾德目前正在合作一個專案，繪製小鼠大腦中完整的血管系統圖，該專案由歐盟的人腦專案資助。韋伯說，該地圖將能夠建立更精確的模型，併為繪製整個大腦的更廣泛目標提供有用的支架。它還將使研究人員能夠研究諸如紋狀體（參與運動計劃）等易發卒中的大腦部分，是否會因為血管網路連線薄弱而變得脆弱。
研究人員也開始研究身體其他部位的迴圈網路。麻省總醫院的生物學家蘭斯·芒恩表示，大多陣列織都具有顯著的冗餘，以環路的形式存在。“例如，在皮膚中，當發生損傷時，這些環路為流動提供了替代路徑——流動可以‘繞過’以到達直接位於受損供應血管下游的組織，”他說。芒恩正在探索腫瘤中血管網路的特性，腫瘤會發展出廣泛的血管網路來為不斷增長的癌組織提供營養。（一類常見的抗癌藥物，血管生成抑制劑，透過阻止新血管的形成來阻止腫瘤生長）。
克萊因費爾德現在正在使用為血管網路開發的工具來研究腦幹中的神經網路，例如控制大鼠如何移動鬍鬚和感知資訊的感官運動環路。雖然“血管系統本身很有趣，”克萊因費爾德說，但它也部分充當了“神經系統的熱身練習”。
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