درک فرآیند‌های پیچیده بیولوژیکی با ریاضیات

به گزارش مجله خبری نگار،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 می‌کند، سلول‌های عصبی آن واکنش قابل توجه و در حال افزایش و مداومی را به محرک‌های ضعیف و قوی نشان می‌دهند. 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 می‌ماند. از آنجایی که تجربه قرار گرفتن در معرض بو باعث حرکت موثرتر کرم‌ها می‌شود، سلول‌های عصبی واکنش خود را برای سازگاری بهتر با محرک با استفاده از کنترل افزایش تغییر می‌دهند.

در ادامه محققان از مدل سازی ریاضی برای درک این فرآیند استفاده کردند. مدل سازی ریاضی ابزار قدرتمندی است که می‌تواند 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 مولفه‌های آهسته است، به این معنی که بو مولفه سریع را برای دستیابی به کنترل مهار می‌کند. محققان همچنین دریافتند:هر دو پاسخ را می‌توان 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 می‌کند، مطابقت دارد.

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

نتایج این مطالعه نشان دهنده استفاده دقیق از مدل سازی ریاضی برای روشن کردن اساس فعالیت سلول‌های 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 می‌گوید: نتیجه مدل سازی کاملاً شگفت انگیز بود. از آنجایی که جنبه‌های مختلف پاسخ‌های سلول‌های 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 می‌دهند.

کیمورا در خاتمه افزود: در نتیجه، این تحقیق اهمیت مدل سازی ریاضی را در درک بهتر فرآیند‌های پیچیده بیولوژیکی برجسته می‌کند. با ترکیب مدل‌های ریاضی با آزمایش‌های بیولوژیکی، محققان می‌توانند بینش‌های جدیدی در مورد نحوه عملکرد سلول‌ها و موجودات به دست آورده و آزمایش‌های جدیدی را پیشنهاد کنند که ممکن است بدون مدل‌سازی ممکن نباشد که این یافته‌ها در نهایت می‌تواند به پیشرفت‌های جدیدی در زمینه‌های زیست شناسی و پزشکی منجر شود.