如何学习细胞迁移方程

当你减少,大规模移民开始体内:皮肤细胞洪水的数以千计的伤口,他们很快就会躺下新鲜层保护组织。

在一项新的研究中,研究人员从铜博得了一个重要的一步解开这种集体行为背后的驱动程序。这个团队开发了一个方程学习技术,有一天可能会帮助科学家们了解身体如何重建皮肤,和有可能激发新疗法,加快伤口愈合。

“学习的规则单个细胞如何应对其他细胞的距离和相对运动是至关重要的理解为什么细胞迁移到伤口,”David圆粒金刚石说教授应用数学在铜博尔德和新研究的资深作者。

这项研究中最新的一个长达10年的圆粒金刚石之间的协作和Xuedong Liu教授生物化学在铜博尔德。集团的方法,称为稀疏的弱形式的识别非线性动力学(WSINDy),适用于广泛的现象在自然世界中,研究报告的主要作者说丹信使。

“这篇论文是关于细胞时,数学也适用于广泛的领域,包括成群的鸟如何避免捕食者和对方,“信使说,圆粒金刚石的实验室的博士后研究员。

他和他的同事们10月12日发表了他们的结果在《英国皇家学会界面。

研究取决于一套工具从“数据驱动建模”领域的一个新兴领域的交叉应用数学、统计和科学数据。使用这种方法,设计计算机模拟数以百计的细胞朝着一个人为的伤口,然后建立了一个方法来学习方程来描述并检查每个细胞的运动。团队的工具可能比传统的更迅速、更准确建模的方式有利于理解复杂的自然现象,如伤口愈合。

“为了防止感染,我们希望我们的伤口尽快关闭,”刘说。“我们计划使用这些学习模型来测试药物和药物治疗,可能会刺激伤口愈合。”

试验和错误

数学模型有许多形状和大小,但大多数使用一系列复杂的方程式来捕获一些现象在现实世界中。

圆粒金刚石,例如,在2020年加入一组科学家利用模型来预测谁COVID-19在科罗拉多的传播。但他指出,它可以把大量的试验和错误,甚至是超级计算机,对这些方程进行验证。

“开发一个准确和可靠的模型可以是一个非常漫长而艰苦的过程,“圆粒金刚石说。

在这个新的研究中,他和他的同事们延续了最新研究WSINDy方法个人的学习直接使用数据模型。

“这是把数据放在第一位,让数学,“圆粒金刚石说。

颗粒细胞

在最近的研究中,他和他的同事,包括生物化学研究生Graycen惠勒,决定把数据驱动镜头细胞迁移的问题。

刘和他的同事们观察皮肤细胞在实验室里涌在一起作为一个整体。皮肤细胞迁移,他们发现,倾向于遵循一定的规则:就像一群愤怒的野牛,皮肤细胞将调整其方向细胞在他们面前也不要撞到后面的领导人。

看看WSINDy可以阐明这个群众运动,圆粒金刚石和信使设计计算机模拟显示数以百计的数字细胞步调一致。团队部署他们的WSINDy方法建立精确描述运动方程的每一个细胞。

“WSINDy,如果你有1000个细胞,你可以学习1000个不同的模型,“圆粒金刚石说。

然后他们开始了更多的数学聚类这些模型在一起。圆粒金刚石指出WSINDy尤其适合发现数据中隐藏的模式。例如,当研究者们混在一起的两个或两个以上的细胞类型以不同的方式移动,套工具可以精确位置和细胞组。

“我们不仅学习为每个细胞模型,但这些模型可以进行排序,从而揭示细胞行为的主要类别,在伤口愈合中发挥作用,“信使说。

前进,合作者希望利用他们的方法开始挖掘真正的细胞在实验室的行为。刘指出,这项技术可以为研究癌症尤其有用。癌细胞,他说,经历类似的大规模迁移,当他们从一个器官传播到另一个地方。

“作为生物化学家,我们通常没有一个定量的方法来描述这个细胞迁移,”刘说。“但现在,我们所做的。”

参考:信使哒,惠勒通用电气,刘X,圆粒金刚石DM。学习各向异性相互作用规则从个人轨迹在异构的细胞数量。J皇家Soc接口。2022;19 (195):20220412。doi:10.1098 / rsif.2022.0412

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