Una nueva investigación ha arrojado luz sobre las complejas interacciones de la función de las células madre y la difusión molecular en el tejido neural, lo que puede explicar muchos fenómenos desde la diferenciación de las células madre hasta la formación de la corteza cerebral. Mientras investiga nuevos métodos para reconstruir el tejido neural 3Dy las vías neuronales en el cerebro y la médula espinal, el Dr. Richard McMurtrey ideó nuevos enfoques matemáticos para comprender la concentración de nutrientes dentro de las construcciones de tejido 3D y cómo esto podría afectar el crecimiento del tejido.
Las células madre tienen comportamientos y respuestas muy singulares a concentraciones específicas de muchos factores moleculares, lo que significa que es importante comprender la dinámica compleja de la señalización, difusión y metabolismo de nutrientes en los tejidos 3D. Muchos tejidos 3D se han construido con la esperanza dereplicando "mini-órganos" de las propias células madre de un paciente, incluyendo "mini-cerebros" u organoides cerebrales que pueden usarse para estudiar enfermedades neurológicas o que algún día pueden ser transplantadas directamente a los tejidos dañados de un paciente.El desarrollo y la función directa de las células madre con el efecto deseado en los organoides es, por lo tanto, un aspecto esencial de esta investigación.
"Primero me topé con estas ideas cuando traté de descubrir cómo obtener concentraciones exactas de nutrientes en algunos tejidos 3D que había diseñado que estaban compuestos de células madre neurales", dijo el Dr. McMurtrey. "Las matemáticas involucradas siempre me han fascinado,pero me sorprendió que responder mis preguntas fuera mucho más difícil de lo que pensé que sería. Sentí que seguía por un agujero de conejo tratando de encontrar soluciones, y eventualmente descubrí las matemáticas que podrían responder mis preguntas. CreoEstas ideas realmente nos ayudan a comprender el papel de la difusión en la función cerebral y el desarrollo neuronal mejor que nunca. Pero, por supuesto, también hay mucho más por aprender ".
Durante el desarrollo humano, las células madre cercanas al centro del cerebro en desarrollo migrarán hacia afuera y formarán las neuronas en la corteza en el borde externo del cerebro, la región donde se forman y procesan los pensamientos. El trabajo matemático descrito en el artículo describelimitaciones de crecimiento impuestas por la difusión y el metabolismo y también sugiere una base física subyacente para el fenómeno de la migración neural a una capa cortical externa densa. Una vez que las neuronas están programadas para migrar a la superficie externa, la corteza puede volverse más enrevesada o arrugada para crearredes neuronales más extensas.
Uno de los aspectos únicos de estos modelos físicos implicaba la implementación de características del metabolismo celular en las ecuaciones, y el trabajo permite a cualquier investigador adaptar los modelos a sus tipos celulares específicos, así como a la forma y arquitectura de sus tejidos específicos. AunqueLas matemáticas involucradas en la derivación de estas ecuaciones son complejas, una de las ventajas de estos modelos es que los investigadores solo necesitan tener un conocimiento práctico de álgebra para usarlos. El modelado de muchos fenómenos físicos generalmente requiere habilidades especializadas en programación computacional, pero este trabajo buscópara proporcionar lo que se llama soluciones analíticas o explícitas, que simplemente permiten que los parámetros se inserten en las fórmulas y se determinen las soluciones.
La investigación del Dr. McMurtrey se centra actualmente en la reconstrucción de estructuras y vías del cerebro y la médula espinal utilizando tejido neural tridimensional sintético hecho con células madre, biomateriales y nanotecnología, y espera utilizar los modelos para diseñar implantes de tejido artificial mejorados que podrían serse utiliza clínicamente para reparar sitios de daño tisular. Estas construcciones de tejido de ingeniería también se pueden utilizar para estudiar modelos de desarrollo y enfermedad en condiciones controladas o para acondicionar células para mejorar la supervivencia después de la implantación en el cuerpo ". Muchos físicos y matemáticos han estudiado medicina, comoFick o Helmholtz, o maravillado por la función compleja del cerebro, como Einstein o Feynman ", afirmó el Dr. McMurtrey." Quería ser un físico creciendo, pero terminé en medicina, aunque todavía me maravillo.en la física subyacente que puede gobernar un vasto universo y, al mismo tiempo, hacer posible todas las funciones neuronales. Creo que veremos eso, al igual que con todosEn otros sistemas en el universo, no podemos entender completamente un sistema tan complejo como el cerebro hasta que comprendamos las matemáticas que gobiernan muchos componentes fundamentales de ese sistema, ya sea la complejidad de las redes neuronales, la dinámica de la señalización celular y las redes de expresión génica.Actividad eléctrica similar a Hodgkin-Huxley de las membranas neuronales, o la biomecánica de los tejidos en desarrollo.En última instancia, creo que la física y la ingeniería tienen mucho que contribuir a resolver problemas en el cuerpo humano que el campo médico aún no puede resolver ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Regeneración Neural e Ingeniería de Tejidos . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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