Wissenschaftler haben einen neuartigen, allgemeinen Rahmen für den Vergleich verschiedener Schwingungen entwickelt und damit wichtige Erkenntnisse in der neurologischen und kardiologischen Wissenschaft gewonnen. Durch die Umwandlung des Problems des Vergleichs von Oszillatoren in ein Problem der linearen Algebra kann das Team nun Oszillatoren vergleichen und verstehen, von denen zuvor angenommen wurde, dass sie unterschiedliche Eigenschaften haben, mit Anwendungen, die vom Verständnis von Herz- und Gehirnschwingungen bis hin zur Analyse der Schwankungen von Wolkenkratzern reichen könnten.
Ein internationales Forscherteam hat eine universelle Struktur zur Erklärung von „Oszillationen“ vorgeschlagen.
Die zufälligen Rhythmen des Lebens umgeben uns – vom hypnotischen, synchronisierten Blinzeln von Glühwürmchen über das Hin- und Herschwingen eines Kindes auf einer Schaukel bis hin zu den subtilen Veränderungen im ansonsten gleichmäßigen „Pop-Pop“ des menschlichen Herzens.
Wissenschaftler haben jedoch immer noch keine Ahnung, wie sie diese Muster, die als stochastische oder stochastische Oszillationen bekannt sind, wirklich verstehen können. Trotz einiger Fortschritte bei der Analyse von Gehirnwellen und Herzrhythmen sind Forscher und Kliniker immer noch nicht in der Lage, die unzähligen Veränderungen und Quellen zu vergleichen oder zu katalogisieren.
„Wenn wir ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Ursachen von Schwingungen erlangen können, können wir Fortschritte in der Neurowissenschaft, der Herzwissenschaft und vielen anderen Bereichen erzielen“, sagte Peter Thomas, Professor für angewandte Mathematik an der Case Western Reserve University.
Thomas ist Teil eines internationalen Forscherteams, das nach eigenen Angaben einen neuartigen, allgemeinen Rahmen für den Vergleich und die Gegenüberstellung von Schwingungen – unabhängig von den zugrunde liegenden Mechanismen – entwickelt hat, der eines Tages ein wichtiger Schritt zum vollständigen Verständnis von Schwingungen sein könnte.
Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht.
„Wir haben das Problem des Vergleichs von Oszillatoren in ein Problem der linearen Algebra umgewandelt“, sagte Thomas. Was wir gemacht haben, war viel präziser als frühere Studien. Das ist ein großer konzeptioneller Fortschritt. "
Andere könnten nun Oszillatoren vergleichen, besser verstehen und sogar manipulieren, von denen zuvor angenommen wurde, dass sie völlig andere Eigenschaften haben, sagen die Forscher.
Wenn beispielsweise Ihre Herzzellen nicht mehr synchron sind, können Sie an Vorhofflimmern sterben. Wenn Ihre Gehirnzellen jedoch zu stark synchronisiert sind, können Sie an Parkinson oder Epilepsie erkranken, je nachdem, wo im Gehirn die Synchronisierung stattfindet. Durch die Verwendung unseres neuen Rahmenwerks können Herz- und Hirnforscher möglicherweise besser verstehen, was Schwingungen bedeuten könnten und wie das Herz oder das Gehirn funktioniert oder sich im Laufe der Zeit verändert.
Thomas sagte, Forscher, darunter Mitarbeiter von Universitäten in Frankreich, Deutschland und Spanien, hätten eine neue Möglichkeit entdeckt, komplexe Zahlen zu verwenden, um das Timing von Oszillatoren und ihr „Rauschen“, also ungenaues Timing, zu beschreiben. Die meisten Schwingungen sind bis zu einem gewissen Grad unregelmäßig. Beispielsweise ist der Herzrhythmus nicht zu 100 % regelmäßig. Eine natürliche Schwankung des Herzschlags um 5–10 % gilt als gesund. Das Problem des Vergleichs von Oszillatoren lässt sich anhand zweier deutlicher Beispiele veranschaulichen: Gehirnrhythmen und schwankende Wolkenkratzer.
„In San Francisco schwanken moderne Wolkenkratzer im Wind und werden von zufällig wechselnden Luftströmungen geschüttelt – sie werden leicht aus der Vertikalen gedrückt, aber die mechanischen Eigenschaften der Struktur ziehen sie zurück“, sagte er. „Diese Kombination aus Flexibilität und Elastizität hilft hohen Gebäuden, den Erschütterungen bei Erdbeben standzuhalten. Man würde nicht glauben, dass dieser Prozess mit Gehirnwellen verglichen werden kann, aber unser neues Framework ermöglicht es Ihnen.“
Es ist möglicherweise noch unklar, wie ihre Entdeckung den beiden Disziplinen Maschinenbau und Neurowissenschaften helfen wird. Er verglich diesen konzeptionellen Fortschritt mit Galileis Entdeckung der um Jupiter kreisenden Monde.
Er sagte: „Was Galileo erkannte, war eine neue Perspektive. Obwohl unsere Entdeckung nicht so weitreichend ist wie die von Galileo, ist sie dennoch ein Perspektivwechsel. Was wir in der Arbeit berichten, ist eine völlig neue Perspektive auf stochastische Oszillatoren.“