Стволовые клетки имеют уникальное поведение и реакцию на определенные концентрации многих молекулярных факторов, а это означает, что важно понимать сложную динамику передачи сигналов, диффузии и метаболизма питательных веществ в трехмерных тканях. Многие трехмерные ткани были сконструированы с надеждой на репликацию «мини-органов» из собственных стволовых клеток пациента, включая «мини-мозг» или церебральные органоиды, которые можно использовать для изучения неврологических заболеваний или которые однажды могут быть непосредственно трансплантированы в поврежденные ткани пациента. Поэтому способность направлять развитие и функционирование стволовых клеток для достижения желаемого эффекта в органоидах является важным аспектом этого исследования.
«Я впервые наткнулся на эти идеи, когда пытался выяснить, как получить точные концентрации питательных веществ в некоторых трехмерных тканях, которые я сконструировал и которые состоят из нервных стволовых клеток», – сказал доктор. МакМертри. "Математика всегда очаровывала меня, но я был удивлен, что ответить на мои вопросы было намного сложнее, чем я думал. Мне казалось, что я продолжаю спускаться в кроличью нору, пытаясь найти решения, и в конце концов я понял математику, которая могла бы ответить на мои вопросы.
Я думаю, что эти идеи действительно помогают нам лучше, чем когда-либо, понять роль диффузии в работе мозга и нервном развитии. Но, конечно, еще многое предстоит узнать."
Во время развития человека стволовые клетки около центра развивающегося мозга будут мигрировать наружу и формировать нейроны в коре на внешнем крае мозга, области, где формируются и обрабатываются мысли. Математическая работа, описанная в статье, описывает ограничения роста, налагаемые диффузией и метаболизмом, а также предлагает физическую основу феномена миграции нейронов в плотный внешний кортикальный слой.
Как только нейроны запрограммированы на миграцию на внешнюю поверхность, кора головного мозга может стать более извилистой или морщинистой, чтобы создать более обширные нейронные сети.
Один из уникальных аспектов этих физических моделей заключался в реализации функций клеточного метаболизма в уравнениях, и эта работа позволяет любому исследователю адаптировать модели к своим конкретным типам клеток, а также к их конкретной форме и архитектуре тканей.
Несмотря на то, что математика, участвующая в выводе этих уравнений, сложна, одно из преимуществ этих моделей состоит в том, что исследователям нужно только иметь практические знания алгебры, чтобы их использовать. Моделирование многих физических явлений обычно требует специальных навыков в области вычислительного программирования, но эта работа была направлена на предоставление так называемых аналитических или явных решений, которые просто позволяют вставлять параметры в формулы и определять решения.
Доктор. В настоящее время исследование Мак-Мертри сосредоточено на реконструкции структур и проводящих путей головного и спинного мозга с использованием синтетической трехмерной нервной ткани, созданной из стволовых клеток, биоматериалов и нанотехнологий, и он надеется использовать эти модели для разработки усовершенствованных имплантатов искусственной ткани, которые можно было бы использовать в клинических условиях для восстановления. участки повреждения тканей.
Эти сконструированные тканевые конструкции также можно использовать для изучения моделей развития и заболевания в контролируемых условиях или для кондиционирования клеток с целью повышения выживаемости после имплантации в организм. «Многие физики и математики изучали медицину, как Фик или Гельмгольц, или с трепетом удивлялись сложной функции мозга, как Эйнштейн или Фейнман», -. Макмертри заявил. «В детстве я хотел быть физиком, но в итоге оказался в медицине, хотя я все еще восхищаюсь физикой, лежащей в основе, которая может управлять огромной вселенной и в то же время делать все нейронные функции возможными. Я думаю, мы увидим, что, как и в случае со всеми другими системами во Вселенной, мы не сможем полностью понять такую сложную систему, как мозг, пока не поймем математику, управляющую многими фундаментальными компонентами этой системы, будь то сложность нейронных сетей, динамика клеточной передачи сигналов и сетей экспрессии генов, электрическая активность нейрональных мембран, подобная Ходжкин-Хаксли, или биомеханика развивающихся тканей. В конечном итоге я считаю, что физика и инженерия могут внести большой вклад в решение проблем человеческого тела, которые медицина пока не может решить."