استفاده از نوسان شیمیایی برای درک بهتر الگوهای در سیستم های مغز و قلب

کرم شب تاب ها برای برقراری ارتباط از نوسان استفاده می کنند. یک دانشگاه واشنگتن در مهندس سنت لوئیس روش جدیدی برای کنترل نوسانات شیمیایی پیدا کرده است که می تواند به تنظیم بیوریتم های مربوط به قلب و مغز کمک کند.

یک مهندس برق و سیستم در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس روشی را طراحی کرده است که به صورت تصویری ، یک پلنگ را مجبور می کند تا نقاط خود را تغییر دهد.

JR-SHIN LI ، استاد دانشیار توسعه شغلی خانواده DAS در مهندسی برق و سیستم در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی ، یک چارچوب ریاضی یکپارچه برای طراحی یک ورودی واحد ، جهانی یا شکل موج ابداع کرده است که قادر به الهام بخشیدن استجمعیت واحدهای غیرخطی ، ریتمیک همه جا در طبیعت و سیستم های دست ساز.

این تئوری در یک آرایه چند الکترود نیکل (پلنگ) نشان داده شده است تا ابتدا یک الگوی ، حرف O را تشکیل دهد ، سپس یک مدتی کوتاه بعداً به الگوی دیگری تغییر می کند ، حرف K و سپس دوباره به الگوی اولیه باز می شود. هر پیکسل در نامه یک واکنش شیمیایی است.

اهمیت این مطالعه سهم در پیشبرد تئوری کنترل گروه با توسعه الگوریتم های محاسباتی مؤثر است ، که محققان را قادر می سازد نوسان را در انواع مختلفی از حوزه های کاربردی مهم ، مانند ضربان سازهای قلب ، شلیک های عصبی در مغز درک و کنترل کنند. و زمان بندی شبانه روزی. دریافت 20 واکنش نوسان در یک آرایه برای سوئیچ الگوهای نمونه ای از سیستم های "ورود" فراوان و غالباً مشابه به طور همزمان توسط یک دستور واحد یا ورودی است.

پدیده نوسان با ورود کرم شب تاب در تابستان به خوبی نشان داده شده است. کرم شب تاب در یک الگوی به سختی قابل درک برای اکثر ناظران نوسان می کند تا اینکه در نهایت همه در طول موج یکسان ارتباط برقرار می کنند و همزمان همزمان می شوند. در طی پدیده نوسان ، پس از یک واکنش شیمیایی ، محصولات شیمیایی اغلب در فرکانس های مختلف (سریعتر یا کندتر) نوسان می کنند.

لی گفت: "در بسیاری از برنامه ها ، همگام سازی این نوسان سازها مفید است.""بنابراین ما ورودی را برای هماهنگی چیزها اعمال می کنیم."

لی و دانشجوی سابق وی ، اکنون در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس ، و همکاران دانشگاه سنت لوئیس نتایج خود را به صورت آنلاین در ارتباطات طبیعت در 18 مارس منتشر کردند.

لی گفت: "ما با یک تئوری یکپارچه و سیستماتیک روبرو شده ایم که روی هر سیستم نوسان کننده غیرخطی کار خواهد کرد.""از نظر ریاضی ، برای هر شماره کار می کند ، خواه 20 یا 2000 یا بیشتر باشد."

همکار لی در دانشگاه سنت لوئیس ، Istvan Z. Kiss ، استادیار هنر و علوم ، استادیار شیمی ، گفته است که نشان دادن هرگونه الگوی فاز مورد نظر در یک گروه تا 120 واکنش نوسان شیمیایی در آزمایشگاه خود امکان پذیر است. با این حال ، پسوندها به هزاران یا میلیون ها واکنش از نظر تئوری امکان پذیر است. تصور می شود نتایج منتشر شده در ارتباطات طبیعت ، پیشرفت یک الگوی موفق در نوسان سازهای غیرخطی به دنبال یک ورودی جهانی است.

لی گفت: "این مقاله نشان می دهد که این امر از نظر تئوری و تجربی امکان پذیر است."

یک سیگنال کنترل جهانی قادر است به طور انتخابی واکنش شیمیایی پیچیده را به الگوهای مکانی انتخاب شده هدایت کند ، در این مثال ، بین شکل حروف "O" و "K" (به رنگ آبی). اعتبار: دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس

در حالی که این روش در هماهنگ سازی کار می کند ، در مواردی نیز کار می کند که هماهنگ سازی به صورت دلخواه مورد نظر باشد. به عنوان مثال ، در بیماری پارکینسون ، بخشی از مغز که بیماری در آن قرار دارد ، سر زشت خود را به صورت آسیب شناسی هماهنگ می کند وقتی قرار نیست باشد. از نظر تئوری ، شکل موج لی ، که مستقیماً روی مغز اعمال می شود ، می تواند جمعیت خاصی از نورونها را که به صورت آسیب شناسی کار می کنند ، از بین ببرد تا به بیماری پارکینسون مبتلا شود.

لی در حال کاوش با اریک هرتزوگ ، دکترا ، استاد زیست شناسی در هنر و علوم در دانشگاه واشنگتن است ، چگونه می توان از ورودی یا کنترل وی برای تنظیم سیستم های شبانه روزی یا ساعتهای بیولوژیکی استفاده کرد.

شکل موج در سیستم های شبانه روزی استفاده از نور برای تغییر رفتار هماهنگ سازی سیستم های شبانه روزی (ساعت بیولوژیکی) است. هر سلول شبانه روزی ممکن است ساعت متفاوتی داشته باشد و یکی از اهداف این تحقیق ، ورود همه ساعتهای شبانه روزی فقط به یک ساعت است.

لی گفت: "این یک کاربرد بالقوه در کاهش تاخیر جت است."

تئوری کنترل گروه لی می تواند یک ورودی کنترل را طراحی کند ، که اغلب از آن به عنوان شکل موج یا "پالس" یاد می شود ، چیزی مانند یک هادی که منجر به ارکستر می شود. این توانایی دارد تعداد زیادی از چرخش های هسته ای را با فرکانس های مختلف در طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) هدایت کند ، و کل مجموعه متنوع چرخش هسته ای را از هر حالت اولیه به هر حالت هدف مورد نظر هدایت می کند تا یک تصویر رزونانس مغناطیسی واضح تر برای پزشکی امکان پذیر شودتشخیص.

در رباتیک، تئوری لی می تواند ورودی های کنترلی منفرد را طراحی کند که به طور همزمان باعث می شود تعداد زیادی ربات در یک سیستم از یک فرمان پیروی کنند. او با محققان در سراسر رشته ها در زمینه های مکانیک کوانتومی، علوم اعصاب، علوم کامپیوتر، زیست شناسی، مهندسی پزشکی و رباتیک همکاری می کند.

گام بعدی لی در جذب سیستم‌های گروهی این است که روش خود را در سیستم‌های بیولوژیکی و علوم اعصاب پیاده‌سازی کند تا ببیند آیا می‌تواند در تحریک عمیق مغز، درمان پیشرفته بیماری پارکینسون، با هدف کنترل لرزش مشخص بیماران، نفوذ کند یا خیر. لی گفت: در این زمینه ها، "پیچیدگی و عدم قطعیت چالش ها هستند.""کنترل آنها بسیار دشوارتر از مواد شیمیایی است که سیستم های فیزیکی هستند."

اطلاعات مجله: Nature Communications

نقل قول: استفاده از نوسانات شیمیایی برای درک بهتر الگوها در سیستم های مغز و قلب (2016، 18 مارس) در 19 دسامبر 2022 از https://phys. org/news/2016-03-chemical-oscillation-patterns-brain-heart. html بازیابی شده است.

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به غیر از هرگونه معامله منصفانه به منظور مطالعه یا تحقیق خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوای مذکور فقط به هدف اطلاع رسانی ایجاد شده است.