利用偏微分方程约束优化模型对神经元中的物质传输调控和交通阻塞进行建模
摘要：神经细胞的跨细胞内运输过程在将必要物质输送到分支几何中发挥着重要作用，以维持其生存和功能。许多神经退行性疾病与运输中断有关，因此，研究神经元如何控制运输过程以将物质定位到必要位置至关重要。在这里，我们开发了一个新的优化模型，以模拟复杂几何形状中物质运输的交通调节机制。通过最小化预定义的目标函数，控制运输以避免物质的交通堵塞。优化遵守一组偏微分方程（PDE）约束，描述基于宏观分子马达辅助运输模型的细胞内粒子的物质输运过程。通过使用等几何分析（IGA）在复杂的树结构中解决了所提出的PDE约束优化模型。使用不同的模拟参数引入交通堵塞，研究神经元如何处理运输问题。具体而言，我们成功地模拟并解释了由于微管（MTs）数量减少和MT涡旋引起的交通堵塞。总之，我们的模型有效地模拟了健康神经元中的物质输运过程，也解释了异常神经元中交通堵塞的形成。结果表明，几何形状和MT结构在实现神经元的最优运输过程中起着重要作用。
作者：Angran Li, Yongjie Jessica Zhang
论文ID：2108.13306
分类：Biological Physics
分类简称：physics.bio-ph
提交时间：2021-08-31