双模耦合优化策略：生物振荡系统在节能同步与功能优先去同步之间的切换调控

《Communications Biology》：Balancing energy efficiency and functional demand via bimodal coupling optimization in biological rhythms

　　

摘要

生物节律受振荡子系统之间复杂相互作用的调控，但其如何在功能需求与能量效率之间取得平衡仍不明确。我们提出了一种双模耦合优化策略，即生理系统在同步（节能）与去同步（功能优先）耦合模式之间交替切换。利用通信工程中发展的注水原理，我们推导出了必要的最优性条件，表明最大化能量效率（心脏做功的摄氧量）需要心率（HR）与呼吸振荡保持同步。随后，系统建模证实，任务/压力诱导的氧气需求会增加摄氧量，但以去同步化和效率降低为代价。实验显示，算术运算与放松状态相比，心率-呼吸同步性降低了70.36%，使摄氧量提高了4.43%，但能量效率降低了11.38%。该双模耦合优化策略在胰岛中也有体现，其胰岛素/胰高血糖素振荡器在同步相（节能）和反相（快速降糖）耦合之间交替切换。该框架整合了工程学与生命科学，揭示了生物振荡系统的一种普遍调控原则。