درک فرآیندهای پیچیده بیولوژیکی با ریاضیات

انسان ها و حیوانات محرک های مختلفی مانند نور، صدا و بو را از طریق سلول های عصبی تشخیص داده و سپس اطلاعات را به مغز منتقل می کنند. سلول های عصبی باید بتوانند با طیف وسیعی از محرک های دریافتی خود سازگار شوند که می تواند متغیر باشد. برای انجام این کار، ممکن است کم و بیش به محرک‌ها حساس شده یا به محرک‌های ضعیف‌تر، حساسیت کمتری نسبت به محرک‌های قوی‌تر داشته باشند که این روش دقیق تا به امروز درک نشده است.

به گزارش سیناپرس، برای درک بهتر فرآیند، یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور کیمورا در دانشگاه شهر ناگویا در ژاپن کرم C. elegans را مورد مطالعه قرار دادند.

محققان دریافتند: وقتی کرم برای اولین بار بوی ناخوشایندی را استشمام می کند، سلول های عصبی آن واکنش قابل توجه و در حال افزایش و مداومی را به محرک های ضعیف و قوی نشان می دهند. با این حال، پس از قرار گرفتن در معرض بو، پاسخ به محرک‌های ضعیف کوچک‌تر و کندتر است، اما نسبت به محرک‌های قوی، بزرگ باقی می ‌ماند. از آنجایی که تجربه قرار گرفتن در معرض بو باعث حرکت موثرتر کرم‌ها می ‌شود، سلول‌های عصبی واکنش خود را برای سازگاری بهتر با محرک با استفاده از کنترل افزایش تغییر می دهند.

در ادامه محققان از مدل سازی ریاضی برای درک این فرآیند استفاده کردند. مدل سازی ریاضی ابزار قدرتمندی است که می تواند برای درک بهتر فرآیندهای پیچیده بیولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.

پژوهشگران دریافتند: واکنش به اولین بو شامل اجزای سریع و آهسته است، در حالی که واکنش پس از قرار گرفتن در معرض آن، فقط شامل مولفه های آهسته است، به این معنی که بو مولفه سریع را برای دستیابی به کنترل مهار می کند. محققان همچنین دریافتند:هر دو پاسخ را می توان با یک معادله دیفرانسیل ساده توصیف کرده و اجزای کند و سریع به ترتیب با ادغام مشتق اول و دوم از غلظت بو که کرم حس می کند، مطابقت دارد.

بر اساس این نتایج، تیم تحقیقاتی همچنین فرض کردند که پاسخ‌های مختلف سلول‌های عصبی برای کنترل را می‌ توان با یک فرآیند نسبتاً ساده شامل ژن‌ها تنظیم کرد. سپس دانشمندان مجموعه ای از ژن ها را پیدا کردند که برای این فرآیند مورد نیاز است.

به گزارش سیناپرس، نتایج این مطالعه نشان‌ دهنده استفاده دقیق از مدل‌ سازی ریاضی برای روشن کردن اساس فعالیت سلول‌ های عصبی و نشان دادن پتانسیل برای گسترش درک ما از پدیده‌های زندگی با ترکیب مدل‌های ریاضی با آزمایش‌های مختلف بیولوژیکی است.

کوتارو دی. کیمورا (Koutarou D. Kimura) استاد دانشگاه ناگویا و پژوهشگر ارشد این مطالعات در این باره می گوید: نتیجه مدل سازی کاملاً شگفت انگیز بود. از آنجایی که جنبه‌های مختلف پاسخ ‌های سلول‌ های عصبی متفاوت است، انتظار داشتیم فرآیندهای پیچیده‌ تری درگیر شوند. مدل ساده ما را تشویق کرد که ژن‌های کلیدی را پیدا کنیم که همه جنبه‌های تفاوت را تغییر می ‌دهند.

کیمورا در خاتمه افزود: در نتیجه، این تحقیق اهمیت مدل ‌سازی ریاضی را در درک بهتر فرآیندهای پیچیده بیولوژیکی برجسته می‌ کند. با ترکیب مدل‌ های ریاضی با آزمایش ‌های بیولوژیکی، محققان می ‌توانند بینش‌های جدیدی در مورد نحوه عملکرد سلول‌ها و موجودات به دست آورده و آزمایش‌ های جدیدی را پیشنهاد کنند که ممکن است بدون مدل‌سازی ممکن نباشد که این یافته ها در نهایت می تواند به پیشرفت های جدیدی در زمینه های زیست شناسی و پزشکی منجر شود.

شرح کامل این مطالعات در آخرین شماره مجله تخصصی Neuroscience Research منتشر شده است.

مترجم: مهدی فلاحی پناه

No tags for this post.