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Seminario di Ezio Bartocci - Unicam
Analisi e Simulazione di Cellule Eccitabili mediante Automi Ibridi Relatore: Dott. Ezio Bartocci Dipartimento di Matematica e Informatica Università di Camerino In collaborazione con Prof.ssa Emilia Entcheva, Prof. Radu Grosu, Prof. Scott A. Smolka State University of New York at Stony Brook Sommario • • • • • • • • Background biologico Motivazione Background computazionale Automi Ibridi (AI) Modelli AI di Cellule Eccitabili Dal Modello all'Applicazione Risultati di Simulazione Conclusioni Background biologico • Cellule Eccitabili • Neuroni • Miociti cardiaci • Cellule muscolo-scheletriche • Differenti concentrazioni di ioni all’interno e all’esterno delle cellule formano: • Il potenziale di trans-membrana • Correnti ioniche attraversano la membrana cellulare percorrendo particolari canali. Assone gigante di calamaro (Animazione dal Laboratorio Biologico della Marina, MA) 1. 2. 3. 4. 5. 6. Il calamaro a riposo Apre il mantello. L’acqua entra nella cavità del mantello Un segnale dal cervello viene mandato al ganglio stellato che è connesso alle cellule nervose (assoni) distribuiti lungo il mantello. Gli impulsi nervosi percorrono la lunghezza di questi assoni. I muscoli si contraggono in maniera sincrona, rapidamente chiudendo il mantello. L’acqua è forzata fuori attraverso il sifone producendo un getto. Miociti cardiaci (WorldWide Anaesthetist & Univ. of British Columbia) Spazio tra le giunzioni Miociti Cardiaci Propagazione del Potenziale di Azione Ioni e canali delle Cellule Eccitabili Na+ Na+ Ca2+ K+ K+ Na+ Ca2+ Ca2+ K+ Na+ K+ Na+ K+ Ca2+ Na+ Na+ Membrana attiva (BiologyMad.com) - Membrana agisce da condensatore - Lo stimolo crea un Potenziale di azione - I canali controllano il potenziale Canali Ionici Pompe Ioniche Potenziale di azione (AP) (HyperPhysics, Georgia State University) Potenziale di Azione (AP) • L'Azione Potenziale è causata dal movimento degli ioni positivi dentro e fuori della membrana cellulare. • 6 fasi: – – – – – – Resting Stimulated Upstroke Early Repolarization Plateau Final Repolarization Stimulated Proprietà di Restituzione dell'AP Le cellule eccitabili rispondono a stimoli di differente frequenza. – Ciascun ciclo è composto da: • Durata dell'Azione Potenziale (APD) • Intervallo Diastolico (DI) – Più lungo è il DI, e più lungo è l'APD Proprietà di refrattarietà Durante l'AP la cellula si trova in un periodo di refrattarietà Assoluto Il periodo di refratarietà è definito in due modi : Periodo di refrattarietà assoluto Periodo di refrattarietà relativo Relativo Aritmie (1) L'aritmia è un difetto di conduzione del cuore Classificazione • Tachiaritmia o tachicardia se il battito aumenta in modo anomalo al di sopra di 100 al min • Bradiaritmia o bradicardia se il battito rallenta al di sotto di 40-50 per min • Fibrillazione Ventricolare Aritmie (2) Motivazione (1) (Hofstra University, NY) • Solo negli Stati Uniti ogni anno ci sono un milione di morti provocati da malattie cardiovascolari. • Quasi il 25% di questi sono vittime della fibrillazione ventricolare (VF). • Durante la VF, l’attività elettrica normale del cuore è mascherata da onde di attivazione ad alta frequenza, che portano a piccole e localizzate contrazioni fuori fase. Motivazione (2) • Le terapie farmacologiche fino ad ora non hanno dato risultati. • L'impianto di cardiodefibrillatori è attualmente il trattamento di maggior successo dei pazienti con fibrillazione ventricolare incontrollabile. • Tale dispositivo è progettato per riportare il cuore al suo normale ritmo grazie ad un forte shock elettrico che termina qualsiasi attività elettrica fuori controllo. Modelli matematici per l'Azione Potenziale • Modello di Hodgkin-Huxley (HH) • Potenziale di membrana per l’ assone gigante del calamaro sviluppato nel 1952 • E’ l’ambiente di lavoro per i seguenti modelli • Modello di Luo-Rudy (LRd) • Modello per le cellule cardiache del porcellino d’India (guinea pig) sviluppato nel 1991 • Modello Neo-Natal Rat (NNR) • Sviluppato alla Stony Brook University dalla Prof.ssa Emilia Entcheva et al. Due premi Nobel Alan Lloyd Hodgkin *1914 +1998 Andrew Fielding Huxley *1917 Premio Nobel in medicina nel 1963 “per le loro scoperte concernenti i meccanismi ionici coinvolti nell’eccitazione e nell’inibizione nelle porzioni periferiche e centrali della membrana della cellula nervosa” Membrana attiva Na+ K+ Fuori Na K L Dentro Propagazione del potenziale di azione (BiologyMad.com) Cellula nervosa Nodi Ranvier (canali ionici) assone myelin stealth Correnti nella membrana attiva Ist I st = I Na + I K + I L + I C INa I Na = g Na (V - VNa ) gNa I K = g K (V - VK ) I L = g L (V - VL ) . VNa IC = C V IK Fuori IL gK gL VK VL IC C Dentro . V = g Na (VNa - V ) + g K (VK - V ) + g L (VL - V ) + I st V Il modello di Hodgkin-Huxley . 3 4 C V g m h ( V V ) g n ( V V ) g ( V V ) I N a N a K K L L s t • • • • • C: Capacità della cellula V: Voltaggio transmembrana gna, gk, gL: Conduttanza massima del canale m, n, h: Variabili di gate del canale ionico Ist: currente di stimolo Background computazionale • Cellule Eccitabili: neuroni, miociti cardiaci, cellule muscoloscheletriche • Sono tradizionalmente rappresentate da complessi sistemi nonlineari ODEs/PDEs. • Molto accurate, ma anche molto compute-intensive. • L'altro estremo sono i cellular automata. • Molto efficienti, sono modelli puramente discreti ma mancano di catturare le caratteristiche essenziali della cellula. Il nostro approccio • Gli Hybrid automata sono una miscela di sistemi discreti e continui. • I nostri risultati mostrano che gli HA possono essere utilizzati per modellare efficentemente i tipi di cellule eccitabili preservandone le caratteristiche essenziali (la morfologia AP, la risposta al battito) • ll modello HA risulta essere all'incirca 10-volte più veloce nella simulazione di un tessuto di 400 x 400 cellule. • I modelli HA sono accessibili all' analisi formale. Che cosa è un Automa ? • E’ un dispositivo o un suo modello in forma di macchina sequenziale, creato per eseguire un particolare compito. • Può trovarsi in diverse configurazioni caratterizzate da una variabile che appartiene ad un determinato insieme di stati, e che evolve in base agli stimoli od ordini ricevuti in ingresso. Automa Ibrido (AI) • Combina entrambi: • Comportamenti continui (Equazioni Differentiali) • Transizioni discrete • Vantaggi • Semplicità • Abilità di rappresentare e descrivere i sistemi Esempio di Automa Ibrido • Un HA consiste di: • Variabili • Grafo di controllo che ha degli stati (chiamati modes) e interuttori chiamati switches • Predicati init, inv, flow per ciascun mode • Condizioni di salto and Eventi per ciascuno switch. • Un semplice termostato come esempio: [x>21] [x=20] Off On x = - 0.1x [x ≥ 18] x = 5 - 0.1x [x ≤ 22] [x<19] Potenziale di azione (AP) (HyperPhysics, Georgia State University) Modello per il nostro Automa Ibrido [v ³ VO ] [ v £ VR ] [v ³ VT ] Stimulated - [VS ] [VS Ù v < VT ] Quali sono gli obiettivi • Migliorare l’efficenza computazionale: • Rendere possibile simulazioni su larga scala • Analisi formale (lavori in corso): • Safety • Liveness Alcune assunzioni • Ogni mode corrisponde ad una configurazione open/closed dei gates. • I gates di sodio e potassio (conduttanze) sono mutualmente independenti uno dall’altro. • Il comportamento del Gate (conduttanza) all’interno di un mode è dato da una equazione differenziale lineare. Automa Ibrido per HH Simulazione per modello HH AI per NNR model Simulazione per modello NNR Single cell, single AP 3 APs on a 2*2 cell array Simulazione Spaziale su larga scale per modello NNR Tessuto di 400*400 cellule Performance Su Pentium® 4 CPU 3.00GHz, 1G memoria CellExcite Diffusion Model Resting State Stimulated State Upstroke State Plateau State Discrete Behaviour Continuous Behaviour Esempio 1: Semplice Stimolo -80 -66 -52 -38 -24 -10 4 18 32 46 60 mV 1 ms 50 ms 100 ms 1 ms 50 ms 100 ms Esempio 2: Fibrillazione Ventricolare mV -80 -66 -52 -38 -24 -10 4 18 32 46 60 1 ms 50 ms 100 ms Esempio 3: Defibrillazione mV -80 -66 -52 -38 -24 -10 4 18 32 46 60 Conclusioni • L’eccitazione della cellula può essere modella con sistemi ordinari di equazioni differenziali: • Hodgkin-Huxley • Luo-Rudy • Neo-Natal Rat • L’approccio dell’automa ibrido combina: • Equazioni Differentiali • Transizioni discrete • Simulazione utilizzando gli Hybrid automata • Accurata • Efficiente • Facile da estendere ad altri sistemi biologici complessi Grazie per l'attenzione