Forskare har utvecklat en matematisk formel baserad på den rytmiska rörelsen i spermiens huvud och svans, vilket avsevärt minskar komplexiteten att förstå och förutsäga hur spermier gör den svåra resan mot befruktning av ett ägg.

Forskare vid universiteten i York, Birmingham, Oxford och Kyoto University, Japan, fann att spermiens svans skapar en karakteristisk rytm som driver spermierna framåt, men drar också huvudet bakåt och i sidled på ett samordnat sätt.

Framgångsrik fertilitet är beroende av hur en sperma rör sig genom vätska, men att fånga detaljer om denna rörelse är en komplicerad fråga.

Teamet syftar till att använda dessa nya fynd för att förstå hur större grupper av spermier beter sig och interagerar, en uppgift som skulle vara omöjlig med hjälp av modern observationsteknik. Arbetet kan ge nya insikter om behandling av manlig infertilitet.

Förenkla problemet

Dr Hermes Gadêlha, från University of Yorks matematiska institution, sade:"För att observera, i mikroskala, hur en sperma uppnår framåtdrivning genom vätska, sofistikerade mikroskopiska högprecisionstekniker används för närvarande.

"Mätningar av takten i spermiens svans matas in i en datormodell, som sedan hjälper till att förstå vätskeflödesmönstren som följer av denna rörelse.

"Numeriska simuleringar används för att identifiera flödet runt spermierna, men eftersom vätskans strukturer är så komplexa, data är särskilt utmanande att förstå och använda. Cirka 55 miljoner spermier finns i ett visst prov, så det är förståeligt mycket svårt att modellera hur de rör sig samtidigt.

"Vi ville skapa en matematisk formel som skulle förenkla hur vi hanterar detta problem och göra det lättare att förutsäga hur många spermier som simmar. Detta skulle hjälpa oss att förstå varför vissa spermier lyckas och andra misslyckas."

Koordinerad rytm

Genom att analysera spermiernas huvud- och svansrörelser, forskare har nu visat att spermierna rör vätskan på ett koordinerat rytmiskt sätt, som kan fångas för att bilda en relativt enkel matematisk formel. Det betyder att komplexa och dyra datorsimuleringar inte längre behövs för att förstå hur vätskan rör sig när spermierna simmar.

Forskningen visade att spermierna måste göra flera motsägelsefulla rörelser, som att flytta bakåt, för att driva det framåt mot ägget.

Spermiens piskliknande svans har en speciell rytm som drar huvudet bakåt och åt sidan för att skapa ett ryckigt vätskeflöde, motverka en del av den intensiva friktion som skapas på grund av deras mindre storlekar.

Mirakulös

Dr Gadêlha sa:"Det är sant när forskare säger hur mirakulöst det är att en sperma någonsin når ett ägg, men människokroppen har ett mycket sofistikerat system för att se till att rätt celler kommer ihop.

"Du skulle anta att spermiernas ryckiga rörelser skulle ha en mycket slumpmässig inverkan på vätskeflödet runt det, vilket gör det ännu svårare för konkurrerande spermier att navigera genom den, men faktiskt ser du väldefinierade mönster som bildas i vätskan runt spermierna.

"Detta tyder på att spermier rör om vätskan på ett mycket samordnat sätt för att uppnå rörelse, inte alltför olika det sätt på vilket magnetfält bildas runt magneter. Så även om vätskemotståndet gör det väldigt svårt för spermierna att röra sig framåt, den samordnar med sina rytmiska rörelser för att säkerställa att endast ett fåtal utvalda uppnår framdrivning framåt. "

Nu när laget har en matematisk formel som kan förutsäga flytande rörelse för en sperma, nästa steg är att använda modellen för förutsägelser om större antal celler. De tror också att det kommer att få konsekvenser för nya innovationer inom infertilitetsbehandling.

Forskningen publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .