新的数学模型描述扩散和代谢动力学在3 d组织,瀑样干细胞

新的研究揭示干细胞之间复杂的相互作用,在神经组织功能和分子扩散,这或许可以解释许多现象从干细胞分化到大脑皮层的形成。在研究新方法的重建3 d神经组织和在大脑和脊髓神经通路,Richard McMurtrey博士设计了新的数学方法对于理解三维组织结构内营养物质的浓度,这将如何影响组织生长。

干细胞有非常独特的行为和反应具体许多分子浓度的因素,也就是说,重要的是要理解的复杂动态营养信号、扩散、3 d和新陈代谢的组织。许多3 d组织构建希望复制从病人自身的“mini-organs”干细胞,包括“mini-brains”或脑瀑样,可用于研究神经系统疾病或可能有一天会直接移植到受损组织的病人。能够指导和直接干细胞发育和功能的预期效果因此瀑样是本研究的重要方面。

“我第一次偶然发现这些想法当试图找出如何获得精确的营养浓度在一些3 d组织由我设计神经干细胞”McMurtrey博士说。“所涉及的数学一直吸引我,但我很惊讶,回答我的问题是更多的比我想象的要困难。我觉得我一直在向下一个兔子洞试图找到解决方案,最终我发现数学,可以回答我的问题。我认为这些想法真的帮助我们理解扩散在脑功能和神经发育的作用比以往任何时候都更好。当然也有更多的还是学习。”

在人类的发展过程中,干细胞的中心附近发展大脑会向外迁移,形成神经元在大脑皮层的外缘,地区的思想形成和处理。本文中描述的数学工作描述增长限制扩散和新陈代谢,也表明底层物理基础神经迁移到一个密集的外部现象皮质层。一旦神经元程序迁移到外表面,大脑皮层可以变得更加复杂或皱纹创造更广泛的神经网络。

独特的一个方面涉及的这些物理模型实现细胞代谢的特性方程,和工作使任何研究模型适应他们的特定的细胞类型以及特定形状和组织架构。尽管涉及的数学推导这些方程是复杂的,这些模型的优点之一是,研究人员只需要一个代数使用它们的应用知识。许多物理现象的建模通常需要专业技能在计算机程序设计中,但这项工作试图提供所谓的分析或显式的解决方案,它允许插入公式和参数确定的解决方案。

McMurtrey博士的研究目前集中在重建大脑和脊髓结构和使用合成三维路径神经组织用干细胞、生物材料和纳米技术,和他希望使用模型来设计增强人工组织植入物可以应用于临床修复网站的组织损伤。这些工程组织结构也可以用于研究模型的发展和疾病控制条件下或调节细胞植入到体内后提高生存。“许多物理学家和数学家有学医,像菲克或亥姆霍兹,或想知道敬畏在大脑的复杂函数,像爱因斯坦和费曼,“McMurtrey博士说。“我长大想成为一名物理学家,但最终我碰巧在医学,但我仍惊叹于底层物理既能管理一个庞大的宇宙,也使所有神经功能成为可能。我认为我们会看到,与宇宙中所有其它系统一样,我们不能完全理解一个系统一样复杂的大脑,直到我们理解数学管理许多基本组件的系统,是否这是神经网络的复杂性,细胞信号传导和基因表达的动态网络,神经元膜的Hodgkin-Huxley-like电活动,或开发组织的生物力学。最终我相信物理学和工程有很多人体中有助于解决问题,但不能解决的医学领域。”