Des modèles mathématiques expliquent le mouvement et le barattage des aliments dans le tube digestif

Publié le 31 octobre 2025 14:44:00. Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont mis en lumière un mécanisme de synchronisation des fréquences oscillatoires dans l’intestin, offrant de nouvelles perspectives sur la digestion et potentiellement sur les troubles de la motilité gastro-intestinale. Leur découverte, basée sur un modèle mathématique innovant, pourrait également éclairer le fonctionnement complexe du cerveau.

• La synchronisation des oscillations est un phénomène biologique courant, observé des lucioles aux mouvements des poissons.
• Une équipe de recherche a découvert un effet d’« escalier » dans l’intestin, où des fréquences similaires s’alignent, facilitant le transit des aliments.
• Cette étude ouvre des pistes pour mieux comprendre et traiter les problèmes de motilité gastro-intestinale.

La nature regorge d’exemples de synchronisation : le scintillement coordonné des lucioles, les mouvements harmonieux des bancs de poissons. Les systèmes biologiques semblent souvent fonctionner selon des rythmes interconnectés, mais les mécanismes sous-jacents à cette coordination restent complexes. Des chercheurs se sont intéressés de près à ces phénomènes, notamment dans le système vasculaire cérébral, où les vaisseaux sanguins se dilatent et se contractent en fonction de l’activité neuronale, assurant ainsi un apport optimal d’oxygène et de nutriments.

Pour percer le mystère de cette synchronisation, une équipe de l’Université de Californie à San Diego a choisi un modèle biologique différent : l’intestin. Ils y ont observé que des oscillateurs fonctionnant à des fréquences proches tendent à s’aligner, créant un effet d’escalier. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

Les scientifiques savent depuis longtemps que lorsqu’un stimulus externe est appliqué à un système oscillatoire, comme une artériole, à une fréquence similaire mais non identique, les deux peuvent se synchroniser. De même, deux horloges connectées finissent par battre à l’unisson. Le professeur David Kleinfeld a découvert que stimuler un neurone entraînait la synchronisation de l’ensemble du système vasculaire à la même fréquence. Cependant, en stimulant deux groupes de neurones à des fréquences différentes, un résultat surprenant est apparu : certaines artérioles se synchronisaient à l’une des fréquences, tandis que d’autres se synchronisaient à l’autre, formant ainsi l’effet d’escalier observé.

Pour expliquer ce phénomène, le professeur Kleinfeld a fait appel à son collègue, le professeur de physique Massimo Vergassola, spécialiste de la physique des systèmes vivants. Ils ont également recruté Marie Sellier-Prono, étudiante diplômée de l’École Normale Supérieure et chercheuse à l’Institut des systèmes complexes, dirigé par Massimo Cencini. Ensemble, ils ont développé un modèle classique d’oscillateurs couplés, adapté à la spécificité de l’intestin.

L’intestin oscille naturellement grâce au péristaltisme – les contractions et relaxations musculaires qui propulsent les aliments à travers le tube digestif – et constitue un modèle simplifié du réseau vasculaire cérébral. L’intestin est unidirectionnel, ce qui signifie que les fréquences se déplacent dans une seule direction, du début de l’intestin grêle à la fin du gros intestin, permettant ainsi le transit des aliments.

« Les oscillateurs couplés communiquent entre eux et chaque section de l’intestin est un oscillateur qui communique avec les sections voisines. Habituellement, les oscillateurs couplés sont étudiés dans un environnement homogène, où tous les oscillateurs ont des fréquences similaires. Dans notre cas, les oscillateurs étaient plus variés, comme c’est le cas dans l’intestin et le cerveau. »

Massimo Vergassola, professeur de physique

Des études antérieures sur les oscillateurs couplés dans l’intestin avaient déjà mis en évidence cet effet d’escalier, permettant le mouvement rythmique des aliments. Cependant, les caractéristiques précises de cet escalier – sa hauteur, sa longueur, sa fréquence et les conditions de son apparition – restaient inconnues jusqu’à présent.

Comparaison entre le péristaltisme expérimental et les données de modélisation. (À gauche) Les cercles représentent la période d’oscillations enregistrée dans l’intestin intact, tandis que l’escalier gris est obtenu à partir du modèle. (À droite) La structure des trois évolutions temporelles des oscillations.

Cette nouvelle solution mathématique répond simultanément à deux questions biologiques fondamentales : comment les aliments se déplacent dans le tube digestif et comment ils sont mélangés. L’équipe espère que ces travaux ouvriront la voie à de nouvelles recherches sur les troubles de la motilité gastro-intestinale, qui affectent le péristaltisme.

« Les équations mathématiques avaient été résolues de manière approximative auparavant, mais pas d’une manière qui permettait de comprendre ces pauses et ce qui se passe pendant ces pauses. C’est une découverte cruciale », a déclaré le professeur Kleinfeld.

Forts de leur succès dans l’étude des oscillations intestinales, les chercheurs se tournent désormais vers le système vasculaire cérébral, bien plus complexe. Si l’intestin est unidirectionnel, le cerveau présente des centaines de directions possibles. Bien que les deux systèmes présentent des escaliers, ceux de l’intestin progressent d’un niveau à l’autre, tandis que ceux du cerveau empruntent simultanément différents chemins et différentes longueurs.

« Le cerveau est infiniment plus compliqué que l’intestin, mais c’est ça la beauté de la science », a conclu le professeur Kleinfeld. « On pose une question, elle nous mène à d’autres questions, on résout un problème, puis on revient à notre question initiale. »

Les auteurs de cette étude sont David Kleinfeld et Massimo Vergassola (Université de Californie à San Diego), Marie Sellier-Prono (École Normale Supérieure) et Massimo Cencini (Institut des systèmes complexes en Italie).

Ce travail a été financé par la National Institutes of Health BRAIN Initiative (U19 NS123717 et U19 NS137920). National Institutes of Health