Uvnitř srdce se skrývá síť svalových vláken, která připomíná krajku nebo sněhové vločky. Poprvé ji nakreslil Leonardo da Vinci někdy kolem roku 1513, po pečlivé pitvě lidského srdce. Domníval se, že tato vlákna zahřívají proudící krev. Byl to geniální odhad, ale nepřesný. Co ta struktura doopravdy dělá, vědci nevěděli celých pět set let — dokud jim v roce 2020 nepomohla umělá inteligence, genomika a data od čtvrt milionu lidí.

Leonardo da Vinci byl v oblasti anatomie srdce výjimečný. Ve dvou vlnách výzkumu, přibližně v letech 1490 a pak mezi lety 1506 a 1513, pitval lidská těla v milánských nemocnicích a lékařských školách — celkem odhadem třicet lidských těl a mnohem více zvířecích. Výsledky zaznamenával do sešitů s takovým detailem, jakého před ním nebylo nikdo schopen. Kresby uložené v Královské knihovně ve Windsorském zámku dodnes přesností předbíhají svou dobu.

Jedním z jeho nejpodivuhodnějších nálezů byl pohled dovnitř srdečních komor. Jejich vnitřní povrch není hladký, jak by se mohlo zdát. Je pokryt hustou sítí větvících se svalových vláken — trámků, latinsky trabeculae. Leonardo je pečlivě zakreslil a jejich vzor ho fascinoval: viditelně kopíroval matematické principy větvení, které studoval i v přírodě. Nakonec navrhl hypotézu, že trabekuly slouží k zahřívání krve při průtoku srdcem. Chyběl mu aparát k ověření. Sešity ležely po staletí nepublikované, a záhada o funkci trabekul se přenesla netknutá do 21. století.

500 let otevřená otázka

Anatomové a kardiologové o trabekulách věděli samozřejmě celou dobu. Jsou jedním z prvních útvarů, které se v embryonálním srdci formují — během prvních týdnů po početí vytvářejí strukturu, která pomáhá okysličovat rychle rostoucí srdeční stěnu, než se do ní dorostou cévy. Jenže v dospělém srdci? Předpokládalo se, že jde o vývojový pozůstatek, jakési embryonální „lešení“, které ztratilo svůj účel. Nikdo to ale dokazatelně nevěděl.

Základní otázka zůstávala otevřená: mají trabekuly v dospělém srdci nějakou aktivní funkci? A pokud ano, jakou? Jenže kvantifikovat tak jemné větvící struktury a srovnávat je mezi tisíci jedinci bylo technicky mimo dosah. Až do doby velkých dat a hlubokého učení.

Jak to AI a genomika vyřešily

V roce 2020 mezinárodní tým vědců z MRC London Institute of Medical Sciences, Cold Spring Harbor Laboratory, EMBL-EBI a dalších institucí publikoval v časopise Nature studii, která záhadu trabekul podstatně posunula. Tým použil umělou inteligenci k analýze 25 000 MRI snímků srdce z britského UK Biobank. Algoritmus automaticky měřil tvar a složitost trabekulárního vzoru pomocí fraktální dimenze — matematické míry toho, jak větvitá a prostorově bohatá je daná struktura. Čím vyšší fraktální dimenze, tím složitější a „krajkovitější“ vnitřní povrch komory.

Výsledky byly přesné a replikovatelné, a umožnily vědcům propojit morfologii trabekul s genetickými daty, klinickými ukazately a výsledky zdraví. Celkem 18 096 účastníků vstoupilo do genomové asociační studie, v níž vědci hledali genetické varianty spojené s mírou trabekulace. Identifikovali 16 statisticky významných genetických lokusů — oblastí DNA — asociovaných s fraktální dimenzí trabekulárního vzoru. Šest z těchto oblastí ovlivňovalo, jak přesně se fractal pattern ve svalových vláknech vytváří. Dvě z těchto genetických oblastí zároveň regulují větvení nervových buněk — což naznačuje, že podobný biologický mechanismus mohl být v evoluci recyklován pro stavbu strukturálně složitých sítí, ať už v mozku nebo v srdci.

Dimple efekt: trabekuly jako golfové míčky

Klíčové funkční zjištění bylo nečekané. Vědci použili biomechanické simulace i observační data od lidských účastníků a prokázali, že morfologie trabekulárního vzoru je důležitým determinantem výkonu srdce. Drsný vnitřní povrch komory — tvořený právě těmi větvícími se trámky — zlepšuje efektivitu průtoku krve při každém srdečním stahu. Funguje to podobně jako důlky na golfovém míčku: hladký povrch by způsoboval větší vzdornost při pohybu tekutiny, zatímco strukturovaný povrch vytváří tenkou vrstvu statické krve podél stěny, která snižuje turbulenci a zlepšuje celkový průtok.

Da Vinci, fascinovaný matematickými zákonitostmi přírody, by pravděpodobně ocenil, že fraktální geometrie, která ho tolik zajímala, má v tomto případě přímý fyziologický smysl.

Trabekuly a riziko srdečního selhání

Nejzásadnějším klinickým zjištěním bylo propojení trabekulárního vzoru s chorobou. Vědci analyzovali genetická data od 50 000 pacientů se srdečním selháním a prokázali, že různé fraktální vzory trabekul ovlivňují riziko rozvoje srdečního selhání. Mendelova randomizace — statistická metoda sloužící k identifikaci kauzálních vztahů — ukázala, že snížená komplexita trabekulárního vzoru je příčinně asociována s vyšším rizikem srdečního selhání.

Jinými slovy: tvar svalových vláken uvnitř srdce, geneticky podmíněný, má reálný vliv na to, jak dobře a jak dlouho srdce funguje. Složitost trabekulárního vzoru není nahodilá — je to biologicky smysluplná vlastnost s měřitelným dopadem na kardiovaskulární zdraví.

Začátek, nikoli konec

Tým byl explicitní v tom, že jejich práce není odpovědí na vše, ale spíše otevřením nové výzkumné oblasti. Declan O’Regan z MRC London Institute of Medical Sciences to popsal jednoduše: Leonardo da Vinci nakreslil tyto záhadné svaly uvnitř srdce před 500 lety, a teprve nyní začínáme rozumět tomu, jak jsou důležité pro lidské zdraví.

Výzkumnice Hannah Meyer z Cold Spring Harbor Laboratory dodala, že výsledku by nebylo bez skutečně mezioborové spolupráce — teprve kombinace genetiky, klinického výzkumu a bioinženýrství umožnila odhalit dosud neznámou roli myokardiálních trabekul ve funkci dospělého srdce.

Záhada, kterou da Vinci identifikoval svou péčí a zvědavostí v 16. století, čekala na technologie 21. věku, aby konečně dostala odpověď. A stojí za to si uvědomit, co to říká o hodnotě pozorování: pečlivý pohled člověka bez moderního vybavení dokázal identifikovat strukturu, jejíž funkci jsme s veškerou naší technologií pochopili teprve o pět set let později.