Chaos im Herzen

Wissenschaftler vom Berliner Fritz-Haber-Institut und der Universität Barcelona haben entdeckt, dass chaotisches Verhalten in chemischen Reaktionen oder bei Herzkammerflimmern gezielt beeinflusst und unterdrückt werden kann

Beim gesunden Menschen schlägt das Herz mit gleichmäßigem Rhythmus. Den Takt dazu gibt das Herz selbst in Form elektrischer Impulse vor, die sich als Wellen im Herzmuskel ausbreiten und seine regelmäßige Kontraktion auslösen. Manchmal können im Herz jedoch auch völlig unregelmäßige Erregungsmuster auftreten, die das gefürchtete Herzkammerflimmern auslösen und mathematisch als Chaos verstanden werden können. Ähnliche chaotische Wellenmuster treten auch in chemischen Reaktionen auf. A.S. Mikhailov vom Fritz-Haber-Institut in Berlin hat jetzt gemeinsam mit spanischen Wissenschaftlern entdeckt, dass man chaotisches Verhalten gezielt unterdrücken kann, indem man die Erregbarkeit solcher Systeme schwach periodisch moduliert. Gelingt dies am Herzen, kann diese Entdeckung auch zu neuen Methoden für die Behandlung von Herzflimmern führen.

Jede Sekunde entsteht im gesunden Herz eine elektrische Erregungswelle, die das ganze Herz durchläuft und seine Kontraktion erzwingt. Manchmal aber bricht solch ein geordneter Ausbreitungsprozess zusammen. Dann wird das Herz vielen irregulären Erregungswellen ausgesetzt, die normalen physiologischen Kontraktionen verschwinden und das gefährliche Herzkammerflimmern (Fibrillation) setzt ein. Wenn der Betroffene nicht rasch behandelt wird, ist der Herztod unvermeidbar.

Aus mathematischer Sicht kann man das Herzflimmern als eine besondere Form von Wellenchaos betrachten. Ein ähnliches Chaos tritt auch in chemischen erregbaren Medien, wie z.B. in der berühmten Belousov-Zhabotinsky-Reaktion, auf. Die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion ist eine oszillierende chemische Reaktion, die ihren Zustand rhythmisch ändert, was man zum Beispiel an einem periodischen Farbwechsel erkennen kann. Bei experimentellen Untersuchungen dieser Reaktion hatte der amerikanische Wissenschaftler Arthur Winfree bereits 1973 so genannte rotierende Scroll-Wellen entdeckt. Eine Scroll-Welle sieht in ihrem transversalen Querschnitt wie eine Spirale aus. Solche Spiralen sind übereinander gestapelt, so dass sich eine aufgerollte Struktur bildet, die man sich am einfachsten an Hand eines lose aufgerollten Papierblatts vorstellen kann. Die Wellen in dieser Struktur rotieren um einen zentralen Faden, der gerade oder gekrümmt ist, aber auch Schleifen und Ringe bilden kann. Später sagte Winfree voraus, dass sich durch eine ungeordnete Dynamik solcher Fäden ein Chaos in dreidimensionalen erregbaren Medien entwickeln kann. Seiner Meinung nach könnte sich die Entstehung von Kammerflimmern sowie der plötzliche Herztod oft durch solche chaotischen Prozesse erklären lassen.

Die gemeinsamen Untersuchungen von Alexander S. Mikhailov von der Abteilung Physikalische Chemie des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und Sergio Alonso sowie Francisco Sagues von der Universität Barcelona haben nun ergeben, dass das Chaos von Scroll-Wellen tatsächlich ein typisches Phänomen ist, dass auch in ganz allgemeinen Modellen erregbarer Medien beobachtet werden kann. Die Abbildung zeigt ein Beispiel solcher chaotischer Wellenmuster.

Bereits im Jahr 2001 war es Mikhailov gemeinsam mit Kollegen am Fritz-Haber-Institut gelungen, chaotische Strukturen in einer chemischen Reaktion zu beobachten und sogar zu steuern [1]. In der neuen Veröffentlichung in „Science“ haben die Wissenschaftler jetzt bewiesen, dass das Chaos von Scrollwellen generell durch schwache periodische Modulation von Parametern, die die Erregungsschwelle des Mediums bestimmen, gezielt gesteuert und damit sowohl unterdrückt als auch induziert werden kann. Diese Entdeckung, die nunmehr in abstrakten mathematischen Modellen verifiziert ist, kann in Zukunft zu neuen Methoden für die Unterdrückung des Herzkammerflimmerns und zur Behandlung spezieller Herzkrankheiten führen.

Originalveroffentlichung:
Sergio Alonso, Francesco Sagues, Alexander S. Mikhailov
„Taming Winfree Turbulence of Scroll Waves in Excitable Media“ Science, 30 January 2003

Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Alexander S. Mikhailov
Complex Systems Research Group
Department of Physical Chemistry
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Faradayweg 4-6
14195 Berlin
Tel.: 030 8413 – 5122
Fax: 030 8413 – 5106
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