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Usando l'effetto di farfalla per predire malattia di cuore: un'intervista con il Dott. George ed il Dott. Parthimos, università di Cardiff

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Che cosa è l'effetto di farfalla? Potete fornire prego alcuni esempi dei sistemi che lo esibiscono?

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Lasciato? inizio di s con una definizione convenzionale:

L'effetto di farfalla è un fenomeno connesso con la teoria di caos in cui un piccolo cambio nella condizione iniziale di un sistema deterministico e non lineare può provocare le grandi differenze in una condizione successiva.

È una bella dichiarazione circa che cosa l'effetto di farfalla è e se realmente lo scomponiamo ai relativi elementi, io può cominciare a sviluppare un'immagine visiva di che cosa è.

Il termine? effetto di farfalla? è attribuito ad un matematico famoso (Edward Lorenz) che lavora alla teoria di caos che lo ha paragonato al meccanismo da cui una farfalla che agita le relative ali nel Amazon può produrre un uragano nel Texas. Il termine, quindi, significa che una perturbazione molto piccola in un sistema è abbastanza notevolmente per dare, influenzare, o cambiare agli eventi una direzione obliqua risoluti.

L'emersione dell'effetto di farfalla in molti eventi fisici rivela due leggi fondamentali che sostengono tutti i sistemi non lineari. Il primo principio è conosciuto come determinismo, in modo da significa che lo sviluppo di un evento può essere seguito esattamente in avvenire, finchè conosciamo il relativo punto di partenza preciso e le regole di come una situazione può cambiare con tempo.

La vita in se, fino a un certo punto, è un esempio di un processo deterministico, perché a partire dal momento nascete, voi segue le leggi di crescita e di invecchiamento in una traiettoria in gran parte risoluta.

La seconda legge fondamentale che sostiene l'effetto di farfalla è il fatto che tantissimi comportamenti coesistono all'interno di un sistema non lineare ed è a disposizione per essere scelto rapidamente e con sforzo minimo per adattarsi ad una circostanza o ad un requisito specifica.

Un buon esempio è la nostra propria capacità di rispondere agli stimoli minuscoli, quale una minaccia percepita, tranquillamente esaminando il rischio o subito reclutando il nostro corpo intero difensivo attraverso una cascata dei processi.

Ciò è il caso in? lotta o volo? risposta, quando un piccolo suono può sollevare il nostro battimento di cuore, dilatare le nostre pupille, sopprimere il nostro sistema digestivo ed indurre una successione dei cambiamenti collegati che li preparano difendersi contro il pericolo potenziale.

Interessante, una volta che questa reazione a catena è iniziata, i punti sono chiaramente deterministici e fare un passo indietro da questa condizione intensificata dell'allarme richiederà il processo di seguire il relativo corso dovuto. È evidente che i principi inclusi nell'effetto di farfalla sono così fondamentali che sono stati impiegati con sviluppo come nostro corpo? linea di s prima di risposte difensive.

Un altro esempio classico della sensibilità per firmare con le iniziali i termini, il determinismo e la coesistenza di tutti i risultati possibili all'interno di un sistema è lo sviluppo del tempo.

In un bollettino meteorologico, tutte informazioni meteorologiche sono usate per definire una condizione basale. Così, ad un tempo particolare, la pressione d'aria, le velocità del vento, le temperature in superficie, formazione della nube può tutti essere misurata ed integrata per generare un'immagine matematica del sistema del tempo nel mondo.

Ora, se capite abbastanza circa quelle circostanze, potete prevedere che cosa quel tempo sta andando fare, secondo il principio di determinismo incluso nella teoria di caos.

A che cosa, l'effetto di farfalla si riferisce è il potenziale del sistema del tempo di svilupparsi in tutte le specie dei fenomeni atmosferici vari sotto molto piccolo, apparentemente illogiche, rottura dell'immagine iniziale, con le ramificazioni enormi per tempo globale.

Non penso che la perturbazione potrebbe essere poco come farfalla che agita le relative ali, ma potrebbe essere qualcosa come una piccola zona particolarmente calda di terra negli Stati Uniti, che causano l'aria che passa sopra esso all'aumento ad un'altezza insolita ed ai cambiamenti di quell'evento la dinamica di intero sistema.

Potreste descrivere prego come e perché cuori sani dipendete dalla sincronizzazione delle reti enormi delle cellule?

Dal momento che, il vostro cuore probabilmente sta battendo 60-70 battimenti un il minuto, ma esso sta battendo come unità completamente organizzata.

Il vostro cuore si compone dei miliardi delle cellule, che si comportano come un organo e se pensate di nuovo alla teoria di caos noi avete comunicato appena attraverso, una rottura in qualunque di quelle cellule ha il potenziale di rovinare l'intera sincronizzazione del muscolo di cuore.

Il battito cardiaco normale dipende dal sapere delle cellule che cosa i loro vicini stanno facendo. Che cosa accade nel cuore sia nelle condizioni di malattia che nell'invecchiamento, è quello da quei miliardi delle cellule, forse uno o due o le centinaia o migliaia di loro forza vanno male e perché coppia l'un l'altro, la rottura potrebbe spargersi in quelle cellule che erano precedentemente inalterate. L'effetto netto è che i profilati di grandi dimensioni relativamente del vostro tessuto del cuore potrebbero allora smettere di funzionare normalmente.

In un attacco di cuore, un gran numero delle cellule muore all'interno di spazio molto breve di tempo e la comunicazione normale della cellula--cellula attraverso la regione commovente di muscolo di cuore si abolisce. Ciò ha installato un certo numero di problemi principalmente relativi ad avere un bello pezzo del tessuto isolato dal punto di vista funzionale dal resto del cuore. Ciò conduce al ritmo anormale (aritmia) ed alla contrazione difficile del muscolo.

Quante cellule devono andare male affinchè un tal effetto accadano?

Non conosciamo quante cellule devono andare male, che è perché ci siamo girati verso le simulazioni su elaboratore per aiutarli ad esaminare alcune di queste edizioni per quanto riguarda che cosa sono i punti critici che trasforma un sistema (sano) normale in anormale (malato).

Nel corpo, importante? portiere? i meccanismi esistono normalmente per impedire le cellule vicine prendere sui segnali anormali che vengono da tutte le cellule che vanno male; la cellula anormale può essere fatta tacere (dall'uccisione) o essere ignorata (dalla comunicazione tagliante).

Tuttavia, se avete un problema continuo o se ci è un certo senso in cui un segnale anormale è permesso persistere, quindi può trasformarsi in in un problema e, come nell'effetto di farfalla, una piccola rottura può essere amplificata enorme per trasformarsi in in una questione seria. Come questo messaggio si irradia fuori alle parti di comunicazione del cuore?

È molto improbabile che appena una cellula che va male ponga un problema immediato in un cuore composto dei miliardi delle cellule. Ma andando indietro all'effetto di farfalla, è assolutamente possibile in linea di principio che se un numero realmente molto piccolo delle cellule va male, nel posto errato al momento sbagliato tali che disturbano la condizione basale dell'organizzazione delle cellule del cuore allora esso possono progredire si trasformano in in un'edizione significativa.

Crediamo che quella parte della ragione per cui gli eventi molto piccoli sono amplificati per causare malattia sia l'incapacità di quei meccanismi gatekeeping di fare tacere o ignorare le cellule anormali.

Come avete usato l'effetto di farfalla ed i modelli elaborati dal calcolatore per capire più meglio che cosa accade nella malattia di cuore?

Se seguiste le discussioni che abbiamo fatto finora circa che cosa l'effetto di farfalla è, il punto cruciale da ottenere attraverso è che la traiettoria di una serie di eventi che si conforma a questi principi è prevedibile se capite abbastanza circa la situazione iniziale.

Abbiamo passare molti anni che studiamo le popolazioni delle cellule e che esaminiamo come ogni cellula comunica con i relativi vicini ed influenza il relativo ambiente locale nell'ambito del normale e? malattia-come? circostanze.

Quindi abbiamo una comprensione sperimentale molto buona in che cosa accadrebbe se, per esempio, 5% delle vostre cellule si sia comportato anormalmente dal resto; che cosa accadrebbe se arrestaste le cellule dalla comunicazione nel senso che fanno solitamente, che cosa sarebbe accaduto se separaste fisicamente alcune delle cellule l'uno dall'altro o avete usato i prodotti chimici per alterare il senso in cui le cellule mettono le informazioni in codice.

Abbiamo effettuato un gran numero di? sapori? di questi tipi di esperimenti in un certo numero di anni e come pensare che ora capiamo uno dei fattori determinanti di queste circostanze iniziali nei minimi particolari, vale a dire come una cellula tratta un calcio cruciale del segnale.

Le limitazioni principali di? cellula vivente? gli esperimenti comunque è che se continu aare spingere le cellule per effettuare oltre la loro gamma normale dei processi fisiologici, esso solitamente innesca un meccanismo gatekeeping terminale e di conseguenza moriranno.

Così, abbiamo una soglia limitata di tolleranza cellulare, sperimentalmente, di che cosa possiamo fare prima che tutte le cellule morire - ma una simulazione su elaboratore non fa. Queste simulazioni, se sono installate per imitare giustamente gli stati iniziali di una rete delle cellule, possono esplorare lo che cosa-SFI (statistiche finanziarie internazionali), i whys e le conseguenze di entrare nella fase prossima di comportamento delle cellule in un senso che non è possibile in laboratorio.

Che cosa abbiamo fatto è di inserire i nostri dati sperimentali in un modello elaborato dal calcolatore che è installato per esaminare percorsi pre-ordained e deterministici basati su un numero dell'insieme delle circostanze iniziali che abbiamo definito.

Per esempio, se considerate uno schema composto di quattro processi (A, la B, la C e D), le simulazioni su elaboratore permettono che noi esaminiamo che cosa accade in a? causare-o-conseguenza? il modo alla B se cambiate A, che cosa le implicazioni per la C o la D saranno di conseguenza ed a come l'interazione generale fra A, B, C e D può cambiare. Queste simulazioni permettono che noi giochiamo con l'effetto di farfalla nei piani d'azione che non sono possibili per effettuare in cellule viventi.

Questo lo significa può cominciare a capire più rapidamente la malattia di cuore?

La capacità di cambiare una gamma delle circostanze permette che noi facciamo le cose ad un tasso che non è sperimentalmente possibile. È un senso di predizione, nel silico, che cosa le cellule faranno in risposta ad un certo trattamento o esposizione a determinati stimoli.

Il vantaggio enorme delle simulazioni su elaboratore è che (matematicamente) definiamo precisamente le circostanze iniziali basate sul nostro archivio ampio dei risultati sperimentali.

Che cosa sono? punti di crisi? e perché sono importanti?

Ogni sistema che vedete intorno voi quale l'intensità di traffico sulle autostrade, un volo dell'aeroplano attraverso l'aria, una farfalla che agita le relative ali, il senso camminate o ridete, siete tutta la parte di una serie disposta di eventi. Se osservassimo indietro la vostra vita i primi venti anni di vostra vita, per esempio, seguirebbe una determinata traiettoria in quanto nascevate, voi ha passato con l'infanzia e scuola ed università? ci è un percorso là.

Tuttavia, a determinati punti nella vostra vita, ci saranno stati fasi che hanno determinato come avete preso la decisione seguente. Dicalo, per esempio, vengono a mancare tutti i vostri livelli di A e non potete andare all'università che volete andare a. Allora avete ottenuto di andare in qualche luogo altrimenti ed il percorso che la vostra vita avrebbe preso è rimodellato fondamentalmente.

Biologicamente, la risoluzione cellulare accade in un simile senso. In una cellula, flussi delle informazioni via i segnali prodotti tramite le interazioni e le reti biochimiche della proteina-proteina. Lungo questi percorsi sono i punti a cui il segnale potrebbe prendere le opzioni multiple. Il numero delle opzioni possibili dà a cellule la loro plasticità della funzione.

Come esempio, possiamo paragonare questi punti all'uso di una tastiera da un dattilografo di tocco. Scrivono professionale per una vita ed hanno un numero enorme delle parole da scegliere da di comunicare il loro messaggio. Ma l'intera ricchezza della lingua disponibile a loro si compone di appena 26 caratteri. Possono scrivere qualche cosa che vogliano ma dipende dalla loro capacità di controllare come usano quelle 26 lettere dell'alfabeto.

Ora, lasci? la s immagina che qualcuno entri in ufficio una mattina e dica? Sto prendendo la Q fuori dalla vostra tastiera.? Quello significherebbe che il dattilografo potrebbe più non scrivere le parole? rapidamente? o? quiete? per esempio. Tuttavia, potrebbero fornire altri sensi di scrittura che cosa hanno significato. Sarebbe un fastidio assoluto, ma potrebbero adattarsi ad esso.

Il punto di crisi in questo caso stava avendo Q tolta la tastiera perché qualunque il dattilografo poteva fare in anticipo è ora molto limitato, anche se potrebbero ancora comunicare ragionevolmente facilmente.

Tuttavia, se la decisione allora fosse presa per rimuovere W, A e la S dalla tastiera, il dattilografo molto di più sarebbe costretto quanto a che cosa potrebbero scrivere. Come conseguenza di questo la ricchezza e la sfumatura delle loro comunicazioni sarebbero ridotte sostanzialmente. Il messaggio dovrebbe essere facilitato per usare poche parole.

Ciascuna di quelle lettere che vengono fuori la tastiera rappresenta certo punto di crisi, in cui avete una decisione da fare per quanto riguarda come continuare e la rimozione di ogni lettera rappresenta gli stati successivamente costretti del sistema

Per estendere l'analogia al limite di rottura, se la E, la I, la O ed U allora fossero rimossi, quindi al dattilografo dovrebbe ammettere la sconfitta perché più non avrebbero potuti comunicare.

Ci sono determinati parametri critici, che in questo caso sarebbero lettere su una tastiera, dove dalle 26 lettere, ci sarebbe una perdita notevole di funzione se soltanto cinque siano stati persi. Non ha bisogno di tutti e 26 le di andare, dipende appena da che cosa è preso, quando e da come e che cosa voi? re parte di sinistra con.

Come può il risultato di comportamento delle cellule in risposta alla a? punto di crisi? be sia preveduto?

Se io prendessimo la lettera Q fuori dalla tastiera, potremmo predire che il dattilografo avrebbe dovuto scrivere la parola? rapidamente? in un modo diverso; ? la d forse usa? rapid? ? accellerato? o qualcosa ancor più complicato, perché non potrebbero scrivere? rapidamente?. Così, potremmo predire che cosa avrebbero dovuto fare perché avremmo conosciuto che cosa era stato fatto.

In termini di biologia, se determinate proteine o determinate cellule elettrico-eccitabili sono prese dalla miscela, potremmo predire come quel sistema si sarebbe adattato perché ora può? la t fa determinate cose. In alcuni casi tuttavia, il sistema può potere fare diversamente alcune cose che non ha fatto mai prima che e quindi re-learn che cosa fare.

Quello lo significa sta osservando i sistemi fare le cose che non sono state registrate mai prima?

Assolutamente. Ci è un ramo interessante di scienza di che si occupa delle proprietà? reti emergenti? quale studia come il comportamento di una serie organizzata di componenti emerge dall'essere un in un determinato senso.

Il migliore senso descriverlo è come genere di apparenza rivelatoria delle proprietà che non erano una caratteristica di diverse componenti. Quello realmente è affascinante.

Pensate questa ricerca condurrete ai nuovi sensi fare ritardare l'inizio della malattia di cuore e potenzialmente persino invertire il processo?

Sì, ma una delle cose che noi? re molto informato di è che l'attenzione di mezzi che il nostro lavoro ha ricevuto è stata giù i nostri sforzi per prevedere i fenomeni incredibilmente complicati. Che cosa non vogliamo fare è di dare alla gente l'impressione che questo sta andando condurre ad un nuovo senso di trattamento della malattia di cuore durante i due anni futuri, per esempio. Non sta andando fare quella.

Che cosa sta andando fare è di ottenere la gente che pensa all'avvenimento trattato di malattia via le fasi ed i punti di crisi e come, se questi si conformano alla teoria di caos, quindi può essere preveduto se abbastanza è conosciuto circa la condizione basale del sistema.

A che cosa infine stiamo mirando è la rilevazione delle anomalie nelle fasi possibili più iniziali del processo di malattia. La gente può essere un certo senso fuori dallo sviluppare i sintomi della malattia di cuore a questo punto.

Poiché il nostro lavoro indica che l'organizzazione delle reti delle cellule del cuore si conforma alla teoria di caos, significa che, in linea di principio almeno, è possibile predire la transizione da? normale? a? malattia? in queste reti e finalmente, nel cuore. Crediamo che se capiamo abbastanza circa il cambiamento di normale--malattia nel sistema, possiamo predire quando le decisioni saranno necessarie e che cosa le conseguenze di quelle decisioni sarebbero.

Esso? s utile pensare a questa che usando un altro esempio in vivo. Dica che state guidando attraverso nel Galles e sapere che in 70 miglia di tempo state andando attraversare il ponticello di Severn, ma voi sapere che il ponticello è chiuso dovuto i venti forti.

One-way che potreste fare ritardare ottenere a quell'eventualità ed eventualmente trovare che il ponticello sarebbe stato riaperto, sarebbe di rallentare. Un piccolo cambio al pedale di acceleratore avrebbe quell'effetto.

L'altro senso che potreste evitare il problema del ponticello che è chiuso sarebbe di usare vostra seduta-nav e via le piccole girate del volante selezioni un altro itinerario che può escludere il ponticello dai dieci delle miglia, ma realmente richiederebbe meno tempo completare che se doveste rallentare. Ciascuna di queste scelte è un caso dell'effetto di farfalla, ma la capacità del driver di scegliere fra i due è dovuto la coesistenza di queste condizioni all'interno dello stesso sistema.

In questo senso, un sistema malato adotta le nuove condizioni suboptimali fino a che non funzioni dalle scelte. Sono tutti i sistemi nel corpo deterministici? Potremmo potenzialmente predire le malattie in altri organi?

Abbiamo esaminato soltanto le cellule del cuore a questo punto a tempo, ma ci è un gran quantità di prova che tutti gli organi del corpo funzionano a causa di sincronizzazione.

Per esempio, il vostro cervello? produzione di discorso di comandi di centro di discorso di s, che conta sull'organizzazione molto precisa dei segnali del nervo ai muscoli in vostra linguetta, mascella, collo, che induce la vostra bocca a muoversi, che gli permette di parlare. Tutto è sincronizzato.

Così, questo fa parte dell'ipotesi che stiamo sviluppando, che è che altre malattie di una natura progressiva coinvolgono disfare sequenziale dei sistemi dell'organo secondo questo modello predeterminato.

Pensate l'effetto di farfalla e la simulazione su elaboratore potrebbe contribuire a fare la luce su cancro?

Indossiamo? di t i meccanismi di studio specificamente di sviluppo ma di esso della cellula tumorale è allineare dire che i sistemi dell'organo nel corpo dipendono da sincronizzazione delle cellule negli stessi erano come il cuore fa.

Così, se voi osserva il cancro in un senso molto semplice - come mazzo di cellule che perdono la loro capacità di smettere di crescere quando dovrebbero, o quelle cellule che cominciano crescere quando shouldn? t? allora le cose che abbiamo discusso sopra sono relative.

È probabile che il problema comincia con un effetto molto molto piccolo, in quanto la comunicazione fra una cellula ed un altro analizza e non è corretto e questo allora si sparge ai relativi vicini, che allora prende altri vicini giù ecc. ecc… Così sì, speculeremmo che forse le origini di cancro e di altre malattie (per esempio neurodegeneration) sono dovuto la desincronizzazione, che può essere allineare.

Che cosa sono i vostri programmi futuri di ricerca?

Essenzialmente vogliamo fare questa più grande scala. Tutto che abbiamo pubblicato ed il motivo che ora state comunicando con noi sono perché abbiamo esaminato un sistema sperimentale delle reti bidimensionali delle cellule del cuore. Naturalmente comunque, il nostro cuore non esiste come 2D rete semplice delle cellule ed i nostri corpi funzionano come combinazione di tessuti, di organi e di fisiologia organizzati, integrati, tridimensionali.

I nostri programmi futuri di ricerca sono di usare questo come struttura per passare in su in scala con gli più alti ordini dei tessuti tridimensionali, di intera fisiologia dell'organo e del corpo.