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細(xì)胞如何連接可能會影響晝夜節(jié)律

2019-03-26 10:28:50 ? 來源：

如果您曾經(jīng)歷過時差，那么您就熟悉晝夜節(jié)律，它可以控制新陳代謝的各個方面，從睡眠 - 覺醒周期到體溫再到消化。身體中的每個細(xì)胞都有生物鐘，但研究人員不清楚細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)如何隨時間相互連接以及這些時變連接如何影響網(wǎng)絡(luò)功能。

在8月27日在PNAS上發(fā)表的研究中，圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究人員和合作機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種統(tǒng)一的，數(shù)據(jù)驅(qū)動的計算方法，用于推斷和揭示生物和化學(xué)振蕩網(wǎng)絡(luò)中的這些連接，稱為這些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。，基于他們的時間序列數(shù)據(jù)。一旦他們建立了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，他們就可以推斷網(wǎng)絡(luò)中的代理或單元如何同步工作，這是大腦的重要狀態(tài)。異常同步與多種腦部疾病有關(guān)，如癲癇，阿爾茨海默病和帕金森病。

Jr-Shin Li，系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)教授，工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)家，開發(fā)了一種算法，稱為ICON(推斷網(wǎng)絡(luò)連接)方法，首次顯示了這些連接的強(qiáng)度隨著時間的推移。以前，研究人員只能確定網(wǎng)絡(luò)之間是否存在連接。

Li和合作者首先在他們創(chuàng)建的不同大小的模擬網(wǎng)絡(luò)上測試他們的方法。接下來，他們在振蕩器網(wǎng)絡(luò)上測試了這種方法 - 動態(tài)單元的數(shù)量，它們重復(fù)地一起發(fā)射，沉默，然后再次在實驗室中由圣路易斯大學(xué)化學(xué)教授Istvan Kiss創(chuàng)建。當(dāng)他們將Li的算法應(yīng)用于合成振蕩器之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)時，結(jié)果與Kiss通過他的實驗確定的結(jié)果相匹配，在15個化學(xué)振蕩器的網(wǎng)絡(luò)中找到相同的連接。研究人員表示，這種動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的這種預(yù)測以前是不可能的。

李說，這種方法有超出細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用。

“這為分析真實世界復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，例如交通，互聯(lián)網(wǎng)，電網(wǎng)和社交網(wǎng)絡(luò)，”他說。

Li還與華盛頓大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)生物學(xué)教授Erik Herzog合作，研究哺乳動物晝夜節(jié)律的細(xì)胞和分子基礎(chǔ)，以確定小鼠大腦細(xì)胞之間的聯(lián)系。Herzog測量了來自小鼠大腦右側(cè)和左側(cè)的541個細(xì)胞的晝夜節(jié)律，然后要求Li估計這些連接如何隨時間變化 - 這是生物學(xué)領(lǐng)域尚未完成的事情。

“一次連接可能很強(qiáng)，但在另一個時間它可能更強(qiáng)或更弱，所以我們可以使用這些數(shù)據(jù)來恢復(fù)功能連接，”李說。“如果我們知道這一點，那么我們就知道網(wǎng)絡(luò)了，那么我們可以做更多的研究，并隨著時間的推移調(diào)查這個網(wǎng)絡(luò)是否會同步，或者是否會出現(xiàn)特定的動態(tài)模式。”

赫爾佐格表示，ICON將幫助他和其他科學(xué)家理解允許系統(tǒng)有效同步的原則。

“例如，我們希望定義細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的基本特征，使每日時間保持在不同的條件下，”Herzog說。“我們希望ICON可以繪制連接并描述不同發(fā)育階段細(xì)胞的相互作用，例如吸引與排斥，這樣我們就可以更多地了解晝夜系統(tǒng)如何在出生后組裝，適應(yīng)冬季或夏季等挑戰(zhàn)，并且失敗在諸如輪班工作或飛越多個時區(qū)的壓力因素中進(jìn)行協(xié)調(diào)。“

在另一項實驗中，現(xiàn)任德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校華盛頓大學(xué)前生物學(xué)訪問教授的合作者威廉施瓦茨(William Schwartz)對七組五只小鼠進(jìn)行了測試，這些小鼠被安置在一起作為社交網(wǎng)絡(luò)一段時間。Schwartz在實驗結(jié)束時測量了小鼠的振蕩，并將數(shù)據(jù)提供給Li，Li應(yīng)用他的算法來推斷數(shù)據(jù)的結(jié)果。最后，Schwartz和Li都發(fā)現(xiàn)其中有四組老鼠具有社交同步性，因為它們在一起結(jié)束時體溫相同。三組沒有相同的體溫，也沒有社交同步。

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