Publicação
A discrete, logical modelling framework to study tissue patterning and morphogenesis
| Resumo: | A formação de padrões é um processo espacial e temporalmente complexo. Os mecanismos subjacentes envolvem redes regulatórias intracelulares sensíveis a sinais microambientais, dos quais se destaca a comunicação intercelular. Modelos matemáticos fornecem um grau de abstracção conveniente para integrar e testar o conhecimento de tais mecanismos, associando as redes celulares à dinâmica populacional. Neste contexto, abordagens discretas apresentam-se como adequadas para modelar redes regulatórias de grandes dimensões que podem conter centenas de componentes. Neste trabalho introduzimos um quadro discreto adaptado à modela ção da formação de padrões epiteliais, implementado numa ferramenta gratuitamente disponível, o EpiLog. Este quadro consiste num autómato celular bidimensional de células hexagonais cujo comportamento é modelado por Modelos Lógicos a elas associados (Booleanos ou multi-valores). O primeiro tópico desta dissertação consiste na demonstração da introdução de estocasticidade que permite superar a sincronia inerente a autómatos celulares, levando à formação de padrões complexos a partir de populações equipotentes de células indiferenciadas. O nosso principal foco de atenção é um recente método que possibilita a inclusão de proliferação celular no autómato, permitindo o estudo do crescimento epitelial. A divisão celular é controlada pelo Modelo Lógico, associado às células. Após a divisão de uma célula, um novo elemento surge numa posição adjacente à original, o que requer uma reorganização do tecido. Mantendo um nível de abstracção semelhante, desprezando conformações das células, restrições físicas ou movimentos direccionados, apresentamos um método que define a posição da célula filha adjacente, e o deslocamento das células vizinhas. Este método está assente sobre uma medida simples que define a compressão exercida sobre uma célula em função do número de células vizinhas a várias distâncias. Variando a contribuição das células vizinhas na medida de compressão, as nossas simulações apresentam diferenças qualitativas significativas na forma dos epitélios em crescimento. Adicionalmente, tendo em conta a possível regulação da actividade mitótica por efeitos de densidade local, associámos uma medida de densidade aos Modelos Lógicos, o que causa grande impacto na forma dos tecidos. Estas extensões foram aplicadas ao desenvolvimento de redes celulares responsáveis pela formação de padrões de mecanorreceptores na superfície corporal de insectos da ordem Diptera, expondo o potencial deste quadro, bem como as suas limitações. Este trabalho demonstra as vantagens no uso de abordagens discretas na modelação, para investigar processos de desenvolvimento dependentes de regulação complexa a nível intra e inter-celular. |
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| Autores principais: | Ramos, Camila Veludo |
| Assunto: | Autómatos celulares Redes regulatórias Sistemas dinâmicos discretos Formação de padrões Diferenciação celular Teses de mestrado - 2016 |
| Ano: | 2016 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade de Lisboa |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | Repositório da Universidade de Lisboa |
| Resumo: | A formação de padrões é um processo espacial e temporalmente complexo. Os mecanismos subjacentes envolvem redes regulatórias intracelulares sensíveis a sinais microambientais, dos quais se destaca a comunicação intercelular. Modelos matemáticos fornecem um grau de abstracção conveniente para integrar e testar o conhecimento de tais mecanismos, associando as redes celulares à dinâmica populacional. Neste contexto, abordagens discretas apresentam-se como adequadas para modelar redes regulatórias de grandes dimensões que podem conter centenas de componentes. Neste trabalho introduzimos um quadro discreto adaptado à modela ção da formação de padrões epiteliais, implementado numa ferramenta gratuitamente disponível, o EpiLog. Este quadro consiste num autómato celular bidimensional de células hexagonais cujo comportamento é modelado por Modelos Lógicos a elas associados (Booleanos ou multi-valores). O primeiro tópico desta dissertação consiste na demonstração da introdução de estocasticidade que permite superar a sincronia inerente a autómatos celulares, levando à formação de padrões complexos a partir de populações equipotentes de células indiferenciadas. O nosso principal foco de atenção é um recente método que possibilita a inclusão de proliferação celular no autómato, permitindo o estudo do crescimento epitelial. A divisão celular é controlada pelo Modelo Lógico, associado às células. Após a divisão de uma célula, um novo elemento surge numa posição adjacente à original, o que requer uma reorganização do tecido. Mantendo um nível de abstracção semelhante, desprezando conformações das células, restrições físicas ou movimentos direccionados, apresentamos um método que define a posição da célula filha adjacente, e o deslocamento das células vizinhas. Este método está assente sobre uma medida simples que define a compressão exercida sobre uma célula em função do número de células vizinhas a várias distâncias. Variando a contribuição das células vizinhas na medida de compressão, as nossas simulações apresentam diferenças qualitativas significativas na forma dos epitélios em crescimento. Adicionalmente, tendo em conta a possível regulação da actividade mitótica por efeitos de densidade local, associámos uma medida de densidade aos Modelos Lógicos, o que causa grande impacto na forma dos tecidos. Estas extensões foram aplicadas ao desenvolvimento de redes celulares responsáveis pela formação de padrões de mecanorreceptores na superfície corporal de insectos da ordem Diptera, expondo o potencial deste quadro, bem como as suas limitações. Este trabalho demonstra as vantagens no uso de abordagens discretas na modelação, para investigar processos de desenvolvimento dependentes de regulação complexa a nível intra e inter-celular. |
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