Rumus Matematika Teori Sains

Event Seminar Matematika dan Biologi 2021

Event Seminar Matematika dan Biologi 2021, Seminar diadakan pada hari Selasa pukul 11:30 di Webex atau Zoom, kecuali dinyatakan lain.

2 Maret

Jonathan Cannon, MIT Postdoctoral Associate, Sinha Lab

Entrainment Irama sebagai Inferensi Dinamis

Ketika disajikan dengan rangsangan pendengaran ritmis yang kompleks, manusia dapat melacak struktur temporal yang mendasarinya (misalnya, “ ketukan ”), baik secara diam-diam maupun dengan gerakan mereka. Kapasitas ini jauh melampaui kapasitas sebuah osilator entri sederhana, yang memanfaatkan ekspektasi waktu yang kontekstual dan terenkulturasi dan menyesuaikan dengan cepat gangguan dalam waktu, fase, dan tempo acara.

thebigvantheory mengusulkan bahwa masalah pelacakan ritme secara alami dicirikan sebagai masalah terus-menerus memperkirakan fase dan tempo yang mendasarinya berdasarkan waktu kejadian yang tepat dan kesesuaiannya dengan ekspektasi waktu. Saya memformalkan masalah ini sebagai kasus menyimpulkan distribusi pada keadaan tersembunyi dari data proses titik dalam waktu yang terus menerus: baik Inferensi Fase dari Point Process Event Timing (PIPPET) atau Fase dan Inferensi Tempo (PATIPPET).

Pendekatan pelacakan ritme ini menggeneralisasi ritme non-isochronous dan multi-suara. Kami menunjukkan bahwa masalah inferensi ini kira-kira dapat diselesaikan dengan menggunakan metode Bayesian variasional yang menggeneralisasi filter Kalman-Bucy ke data proses titik. Solusi ini mereproduksi beberapa karakteristik pelacakan ritme manusia yang terbuka dan terselubung, termasuk koreksi fase yang bergantung pada periode, kontraksi ilusi dari interval kosong yang tidak terduga, dan kegagalan untuk melacak ritme yang terlalu sinkron, dan dapat diperkirakan secara masuk akal di otak. PIPPET dapat berfungsi sebagai dasar untuk model kinerja pada berbagai tugas waktu dan entrainment dan membuka pintu ke pemrosesan prediktif yang lebih kaya dan model inferensi aktif dari pengaturan waktu ritmis.

16 Maret

Cliff Kerr, Institute for Disease Modeling

Entrainment Irama sebagai Inferensi Dinamis

Ketika disajikan dengan rangsangan pendengaran ritmis yang kompleks, manusia dapat melacak struktur temporal yang mendasarinya (misalnya, “ ketukan ”), baik secara diam-diam maupun dengan gerakan mereka. Kapasitas ini jauh melampaui kapasitas sebuah osilator entri sederhana, yang memanfaatkan ekspektasi waktu yang kontekstual dan terenkulturasi dan menyesuaikan dengan cepat gangguan dalam waktu, fase, dan tempo acara.

Saya mengusulkan bahwa masalah pelacakan ritme secara alami dicirikan sebagai masalah terus-menerus memperkirakan fase dan tempo yang mendasarinya berdasarkan waktu kejadian yang tepat dan kesesuaiannya dengan ekspektasi waktu. Saya memformalkan masalah ini sebagai kasus menyimpulkan distribusi pada keadaan tersembunyi dari data proses titik dalam waktu yang terus menerus: baik Inferensi Fase dari Point Process Event Timing (PIPPET) atau Fase dan Inferensi Tempo (PATIPPET). Pendekatan pelacakan ritme ini menggeneralisasi ritme non-isochronous dan multi-suara.

Baca Juga : Sir Roger Penrose: Penemuan Inovatif Lebih Dari Layak Untuk Hadiah Nobel

Kami menunjukkan bahwa masalah inferensi ini kira-kira dapat diselesaikan dengan menggunakan metode Bayesian variasional yang menggeneralisasi filter Kalman-Bucy ke data proses titik. Solusi ini mereproduksi beberapa karakteristik pelacakan ritme manusia yang terbuka dan terselubung, termasuk koreksi fase yang bergantung pada periode, kontraksi ilusi dari interval kosong yang tidak terduga, dan kegagalan untuk melacak ritme yang terlalu sinkron, dan dapat diperkirakan secara masuk akal di otak. PIPPET dapat berfungsi sebagai dasar untuk model kinerja pada berbagai tugas waktu dan entrainment dan membuka pintu ke pemrosesan prediktif yang lebih kaya dan model inferensi aktif dari pengaturan waktu ritmis.

2 April

Andrea Barreiro, Southern Methodist University

Membedah Mekanisme Penciuman Retronasal

Persepsi rasa adalah faktor pengatur mendasar dari perilaku makan dan penyakit terkait seperti obesitas. Bau yang masuk ke hidung secara retronas, yaitu dari bagian belakang rongga hidung, memainkan peran penting dalam persepsi rasa. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa penciuman orthonasal (bau yang dihirup melalui hidung) dan penciuman retronasal melibatkan aktivasi otak yang sangat berbeda, bahkan untuk bau yang identik. Namun, mekanisme saraf yang mungkin mendasari perbedaan ini masih belum diketahui. Dalam pembicaraan ini saya akan melaporkan upaya kami untuk mendokumentasikan dan menjelaskan perbedaan-perbedaan ini.

Pertama, kami menyelidiki selektivitas dengan merekam dari olfactory bulb (OB) dan piriform cortex (PC) dari tikus yang dibius. Kami menemukan bahwa sel-sel dalam bola penciuman tikus menunjukkan selektivitas spesifik dan dinamis terhadap rangsangan orthonasal vs. retronasal. Kedua, studi pemodelan kami menunjukkan bahwa ketika bola olfaktorius menerima masukan yang berbeda dari sumber orthonasal vs retronasal, masukan retronasal secara selektif diperkuat oleh rangkaian bola olfaktorius.

Terakhir, mengapa bohlam menerima masukan yang berbeda berdasarkan arah aliran udara? Kami berhipotesis bahwa perbedaan ini sebagian berasal, karena gaya mekanis fluida di pinggiran: neuron reseptor olfaktorius merespons rangsangan mekanis dan kimiawi. Jika waktu mengizinkan saya akan menunjukkan hasil yang sangat awal yang menunjukkan bahwa gaya berbeda untuk aliran udara orthonasal vs. retronasal; yaitu inspirasi vs. pernafasan.

9 April

Hanspeter Herzel, Institut Biologi Teoretis, Charité dan Universitas Humboldt Berlin

Jam Circadian sebagai Sistem Osilator Berpasangan

Banyak organisme menunjukkan osilator mandiri intrinsik untuk beradaptasi dengan kondisi lingkungan ritmis. Jam sirkadian ini dihasilkan oleh jaringan pengatur gen secara otonom sel. Pemodelan matematika berkontribusi pada pemahaman tentang pembuatan ritme dan sinkronisasi.

Jam dihasilkan oleh loop umpan balik negatif yang tertunda. Kami menyajikan model 5-gen yang dipasang pada profil ekspresi gen yang diukur. Ternyata bahkan untuk model yang relatif kecil seperti itu, banyak konfigurasi parameter dapat mereproduksi data yang tersedia. Menganalisis ansambel model yang dioptimalkan ini, kami dapat mengekstrak motif khusus jaringan termasuk “penekan”.

Jam intrinsik dibawa ke zeitgeber eksternal seperti cahaya, suhu, dan makanan. Menariknya, fase entrainment (“chronotypes”) cukup bervariasi. Menggunakan teori osilator dan diagram bifurkasi dua dimensi (“Arnold lidah dan bawang”) kami membahas perbedaan “burung pagi” dan “burung hantu malam”.

30 April

Morgan Craig, Universite de Montreal

Memahami Jaringan Komunikasi Kekebalan Tubuh menggunakan Dinamika Empiris

Baik pensinyalan lokal dan jarak jauh diperlukan untuk komunikasi sel kekebalan, yang sangat penting untuk menjaga regulasi kekebalan yang efisien dan efektif. Banyaknya interaksi sel / sitokin dalam sistem kekebalan mempersulit kemampuan kita untuk memahami secara luas regulasi respons imun, dan patofisiologi gangguan imun akut dan kronis.

Tantangan utama adalah menerjemahkan pemahaman klinis dan observasi ke dalam mekanisme. Dalam pembicaraan ini, saya akan membahas pendekatan kita untuk mengungkap jaringan komunikasi kekebalan. Untuk ini, kami menerapkan kumpulan teknik dan model kuantitatif baru pada kelainan darah langka yang disebut trombositopenia siklik, yang secara klinis bermanifestasi sebagai trombosit berosilasi dan konsentrasi trombopoietin dengan periode trombositopenia.

Hasil kami membantu memperbaiki transmisi sinyal dalam sistem kekebalan sel-ke-sel dan distal. Saya akan membahas bagaimana hal ini bermanfaat baik secara praklinis maupun klinis untuk merancang terapi yang ditingkatkan dan alat diagnostik baru, dan menetapkan jadwal terapeutik yang efektif untuk membantu mengobati penyakit.

6 Mei

Chun Liu, Institut Teknologi Illinois

Pendekatan Ariasional Energetik (EnVarA) untuk Bahan Aktif dan Cairan Reaktif

Bahan aktif dan fluida reaktif terdiri dari bahan yang mengkonsumsi atau mengubah energi untuk menghasilkan gerakan dan deformasi. Mereka terlibat dalam banyak aktivitas biologis dan pada sebagian besar waktu, karakteristik utama organisme hidup. Dalam pembicaraan ini, kami akan menyajikan turunan dan generalisasi kinetika aksi massa reaksi kimia menggunakan pendekatan variasional energetik.

Metode ini memungkinkan kami untuk menangkap kopling dan persaingan berbagai mekanisme, termasuk efek mekanis seperti difusi, viskoelastisitas dalam cairan polimer dan kontraksi otot, serta efek termal. Kami juga akan membahas beberapa aplikasi di bawah pendekatan ini, khususnya, pemodelan solusi misellar wormlike. Ini adalah kerja sama dengan Bob Eisenberg, Pei Liu, Yiwei Wang dan Tengfei Zhang.

7 Mei

Calvin Zhang-Molina, Universitas Arizona

* Seminar ini akan diadakan pada pukul 13.30*

Memodelkan Dinamika Sinaptik dengan Keacakan dan Plastisitas

Transmisi sinaptik adalah mekanisme transfer informasi dari satu neuron ke neuron lainnya. Dinamika transmisi sinaptik menentukan efektivitas transfer informasi dari satu neuron ke neuron lainnya, dan juga dengan dunia luar melalui sistem sensorik dan motorik. Kami bertujuan untuk mengembangkan kerangka kerja teoritis yang menjembatani sistem dinamis, proses stokastik, pemfilteran optimal, dan prinsip kontrol untuk memahami pemrosesan informasi neuron di seluruh tingkat sinaptik, sirkuit saraf, dan sistem. Dalam pembicaraan ini, saya akan menyajikan model sederhana pelepasan vesikel stokastik yang mencakup fasilitasi berdasarkan data percobaan. Saya kemudian akan menerapkan model ini untuk mempelajari interaksi fasilitasi dan depresi dalam transmisi sinaptik. (Kerja sama dengan Charles S. Peskin, Universitas New York.)

13 Mei

Qixuan Wang, Departemen Matematika, Universitas California, Riverside

Pemodelan Pertumbuhan: Apa yang Kita Pelajari dari Folikel Rambut?

Folikel rambut adalah organ mini kulit kaya sel punca yang dapat mengalami siklus regenerasi seperti osilasi sepanjang masa hidupnya. Dalam beberapa tahun terakhir, folikel rambut telah muncul sebagai sistem model terkemuka untuk mempelajari mekanisme umum kontrol sel induk, pola jaringan selama morfogenesis, regenerasi, dan penuaan. Hasil eksperimental terbaru telah menjelaskan bagaimana jalur pensinyalan tertentu mengatur pembelahan sel, diferensiasi, dan kematian terprogram di berbagai bagian folikel.

Namun, mekanisme regulasi terintegrasi dari dinamika pertumbuhan folikel rambut masih belum jelas hingga saat ini. Secara khusus, dua pertanyaan penting tetap tidak terpecahkan: 1) bagaimana folikel rambut mengetahui jika telah mencapai panjang maksimum, dan 2) bagaimana folikel rambut mengetahui kapan harus menghentikan anagen dan memasuki katagen? Untuk menjawab pertanyaan ini, kami baru-baru ini mengembangkan model multiskala baru pada pertumbuhan folikel rambut. Kami mengusulkan Hipotesis Respons Heterogen pada mekanisme kontrol pertumbuhan folikel: heterogenitas dalam respons sel dengan tipe yang sama sangat penting dalam mengatur dinamika pertumbuhan folikel, baik secara spasial maupun temporal.

Dalam pembicaraan ini, saya akan mempresentasikan hasil pemodelan dan eksperimental terbaru kami, dan membahas bagaimana hipotesis baru akan berkontribusi pada studi umum tentang pengendalian pertumbuhan. (Pekerjaan ini bekerja sama dengan Christian Fernando, Maksim Plikus dan Qing Nie.)

27 Mei

Giovanna Guidoboni, Universitas Missouri

Pemodelan Multiskala / Multifisika Fisiologi Mata: Mata sebagai Jendela pada Tubuh

Mata adalah satu-satunya tempat di tubuh manusia di mana fitur vaskular dan hemodinamik dapat diamati dan diukur dengan mudah dan non-invasif hingga ke tingkat kapiler. Sejumlah studi klinis telah menunjukkan korelasi antara perubahan aliran darah mata dan penyakit mata (misalnya glaukoma, degenerasi makula terkait usia, retinopati diabetik), penyakit neurodegeneratif (misalnya penyakit Alzheimer, penyakit Parkinson) dan penyakit sistemik lainnya (misalnya hipertensi, diabetes). Dengan demikian, menguraikan mekanisme yang mengatur aliran darah mata bisa menjadi kunci untuk penggunaan pemeriksaan mata sebagai pendekatan non-invasif untuk diagnosis dan pemantauan terus menerus untuk banyak pasien.

Baca Juga : Mengulas Lebih Dalam Tentang Teorema Perron–Frobenius

Namun, banyak faktor yang mempengaruhi hemodinamik okular, termasuk tekanan darah arteri, tekanan intraokular, tekanan cairan serebrospinal dan regulasi aliran darah, dan sangat menantang untuk menentukan kontribusi individual mereka selama studi klinis dan hewan. Dalam beberapa tahun terakhir, kami telah mengembangkan model matematika dan metode komputasi untuk membantu interpretasi data klinis dan memberikan wawasan baru dalam fisiologi mata di bidang kesehatan dan penyakit.

Dalam pembicaraan ini, kami akan meninjau bagaimana model matematika ini telah membantu menjelaskan mekanisme yang mengatur interaksi antara biomekanik okuler, hemodinamik, transportasi zat terlarut dan pengiriman dalam kesehatan dan penyakit. Kami juga akan menyajikan antarmuka berbasis web yang memungkinkan pengguna menjalankan dan memanfaatkan model ini secara mandiri, tanpa memerlukan keahlian perangkat lunak tingkat lanjut.