细胞如何连接可能会影响昼夜节律

如果您曾经历过时差，那么您就熟悉昼夜节律，它可以控制新陈代谢的各个方面，从睡眠 - 觉醒周期到体温再到消化。身体中的每个细胞都有生物钟，但研究人员不清楚细胞网络如何随时间相互连接以及这些时变连接如何影响网络功能。

在8月27日在PNAS上发表的研究中，圣路易斯华盛顿大学的研究人员和合作机构开发了一种统一的，数据驱动的计算方法，用于推断和揭示生物和化学振荡网络中的这些连接，称为这些复杂网络的拓扑结构。，基于他们的时间序列数据。一旦他们建立了拓扑结构，他们就可以推断网络中的代理或单元如何同步工作，这是大脑的重要状态。异常同步与多种脑部疾病有关，如癫痫，阿尔茨海默病和帕金森病。

Jr-Shin Li，系统科学与数学教授，工程与应用科学学院应用数学家，开发了一种算法，称为ICON(推断网络连接)方法，首次显示了这些连接的强度随着时间的推移。以前，研究人员只能确定网络之间是否存在连接。

Li和合作者首先在他们创建的不同大小的模拟网络上测试他们的方法。接下来，他们在振荡器网络上测试了这种方法 - 动态单元的数量，它们重复地一起发射，沉默，然后再次在实验室中由圣路易斯大学化学教授Istvan Kiss创建。当他们将Li的算法应用于合成振荡器之间的相互作用网络时，结果与Kiss通过他的实验确定的结果相匹配，在15个化学振荡器的网络中找到相同的连接。研究人员表示，这种动态拓扑结构的这种预测以前是不可能的。

李说，这种方法有超出细胞网络的各种应用。

“这为分析真实世界复杂的大型网络奠定了基础，例如交通，互联网，电网和社交网络，”他说。

Li还与华盛顿大学艺术与科学生物学教授Erik Herzog合作，研究哺乳动物昼夜节律的细胞和分子基础，以确定小鼠大脑细胞之间的联系。Herzog测量了来自小鼠大脑右侧和左侧的541个细胞的昼夜节律，然后要求Li估计这些连接如何随时间变化 - 这是生物学领域尚未完成的事情。

“一次连接可能很强，但在另一个时间它可能更强或更弱，所以我们可以使用这些数据来恢复功能连接，”李说。“如果我们知道这一点，那么我们就知道网络了，那么我们可以做更多的研究，并随着时间的推移调查这个网络是否会同步，或者是否会出现特定的动态模式。”

赫尔佐格表示，ICON将帮助他和其他科学家理解允许系统有效同步的原则。

“例如，我们希望定义细胞网络的基本特征，使每日时间保持在不同的条件下，”Herzog说。“我们希望ICON可以绘制连接并描述不同发育阶段细胞的相互作用，例如吸引与排斥，这样我们就可以更多地了解昼夜系统如何在出生后组装，适应冬季或夏季等挑战，并且失败在诸如轮班工作或飞越多个时区的压力因素中进行协调。“

在另一项实验中，现任德克萨斯大学奥斯汀分校华盛顿大学前生物学访问教授的合作者威廉施瓦茨(William Schwartz)对七组五只小鼠进行了测试，这些小鼠被安置在一起作为社交网络一段时间。Schwartz在实验结束时测量了小鼠的振荡，并将数据提供给Li，Li应用他的算法来推断数据的结果。最后，Schwartz和Li都发现其中有四组老鼠具有社交同步性，因为它们在一起结束时体温相同。三组没有相同的体温，也没有社交同步。