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Utilisant l'effet de Lorenz pour prévoir la maladie cardiaque : une entrevue avec Dr. George et Dr. Parthimos, université de Cardiff

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Quel est l'effet de Lorenz ? Pouvez-vous veuillez donner quelques exemples des systèmes qui le montrent ?

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Laissé ? début de s avec une définition formelle :

L'effet de Lorenz est un phénomène lié à la théorie de chaos en laquelle un petit changement de l'état initial d'un système déterministe et non linéaire peut avoir comme conséquence de grandes différences dans un état postérieur.

C'est un beau rapport au sujet de ce qu'est l'effet de Lorenz et si nous le décomposons réellement à ses éléments, je peut commencer à établir une image visuelle de ce qu'est il.

La limite ? effet de Lorenz ? est attribué à un mathématicien célèbre (Edouard Lorenz) travaillant sur la théorie de chaos qui l'a comparé au mécanisme par lequel un papillon agitant ses ailes en Amazone peut produire un ouragan dans le Texas. Le terme signifie, donc, qu'une perturbation minuscule dans un système est assez considérablement pour biaiser, polariser, ou changer les événements déterminés.

L'apparition de l'effet de Lorenz en beaucoup d'événements physiques indique deux lois fondamentales qui soutiennent tous les systèmes non linéaires. Le premier principe est connu comme déterminisme, ainsi il signifie que l'évolution d'un événement peut être suivie exactement à l'avenir, tant que nous savons son point de départ précis et les règles de la façon dont une situation peut changer avec du temps.

La vie elle-même, dans une certaine mesure, est un exemple d'un processus déterministe, parce que du moment vous êtes né, vous suivent les lois de l'élevage et du vieillissement dans une trajectoire en grande partie déterminée.

La deuxième loi fondamentale qui soutient l'effet de Lorenz est le fait qu'un grand nombre de comportements coexistent dans un système non linéaire et est disponible pour être choisie rapidement et avec un effort minimal afin de s'adapter à une condition ou à une condition spécifique.

Un bon exemple est notre propre capacité de répondre aux stimulus minutieux, tels qu'une menace perçue, en passant en revue calmement le risque ou en recrutant promptement notre corps entier défensif par une cascade de processus.

C'est le cas dans ? combat ou vol ? réponse, quand un petit bruit peut soulever notre battement de coeur, dilater nos pupilles, supprimer notre système digestif et induire une succession des changements associés qui nous préparent nous défendre contre un danger potentiel.

Intéressant, une fois que cette réaction en chaîne est lancée, les étapes sont clairement déterministes et se reculer de cet état intensifié d'alerte exigera du processus de suivre son cours dû. Il est évident que les principes inclus dans l'effet de Lorenz soient si fondamentaux qu'ils ont été utilisés par l'évolution en tant que notre corps ? ligne de s premier des réponses défensives.

Un autre exemple classique de la sensibilité pour parafer des conditions, le déterminisme et la coexistence de tous les résultats possibles dans un système est l'évolution du temps.

Dans des prévisions météorologiques, toute les information météorologique est employée pour définir un état basique. Ainsi, à un moment particulier, la pression atmosphérique, les vitesses du vent, températures de surface, formation de nuage peut tout être mesurée et intégrée pour produire d'une image mathématique du système de temps dans le monde.

Maintenant, si vous comprenez asse'au sujet de ces conditions, vous pouvez prévoir ce que ce temps va faire, selon le principe du déterminisme inclus dans la théorie de chaos.

Ce que, l'effet de Lorenz se rapporte est le potentiel du système de temps de se développer en toutes les sortes de phénomènes atmosphériques divers sous minuscule, apparemment sans importance, rupture de l'image initiale, avec des ramifications énormes pour le temps global.

Je ne pense pas que la perturbation pourrait être aussi peu comme papillon agitant ses ailes, mais elle pourrait être quelque chose comme une petite correction particulièrement chaude de terre aux Etats-Unis, qui causent l'air passant au-dessus de elle à l'élévation à une altitude peu commune et aux changements de cet événement la dynamique du système entier.

Est-ce que pourriez-vous vous svp décrire comment et pourquoi les coeurs sains dépendez de la synchronisation des réseaux énormes des cellules ?

Au moment où, votre coeur bat probablement à 60-70 battements par minute, mais à lui bat comme unité complètement organisée.

Votre coeur se compose des milliards de cellules, qui se comportent en tant qu'un organe et si vous pensez de nouveau à la théorie de chaos nous juste avez parlé à travers, une rupture dans des n'importe quelles de ces cellules a le potentiel de ruiner la synchronisation entière du muscle de coeur.

Le battement de coeur normal dépend de savoir de cellules ce que leurs voisins font. Ce qui se produit au coeur dans des états de la maladie et dans le vieillissement, est celui hors de ces milliards de cellules, peut-être un ou deux ou les centaines ou les milliers d'elles force vont mal et parce qu'ils sont couplés entre eux, la rupture pourrait écarter dans ces cellules qui étaient précédemment inchangées. L'effet net est que relativement les grandes parties de votre tissu de coeur pourraient alors cesser de fonctionner normalement.

Dans une crise cardiaque, un nombre important de cellules meurent dans un espace très court de temps et la communication normale de cellule-à-cellule à travers la région affectée du muscle de coeur est supprimée. Ceci a installé un certain nombre de problèmes principalement connexes à avoir un morceau de tissu fonctionellement d'isolement dans le reste du coeur. Ceci mène au rythme anormal (arythmies) et à la contraction pauvre de muscle.

Combien de cellules est-ce que doivent aller mal pour qu'un tel effet se produise ?

Nous ne connaissons pas combien de cellules doivent aller mal, qui est pourquoi nous nous sommes tournés vers des simulations sur ordinateur pour nous aider à regarder certaines de ces issues concernant ce que sont les points critiques qui transforme un système (sain) normal en (malade) anormal.

Dans le corps, important ? portier ? les mécanismes existent normalement pour empêcher les cellules voisines de reprendre sur les signaux anormaux venant de toutes les cellules allant mal ; la cellule anormale peut être faite taire (en étant tué) ou être ignorée (par communication découpante).

Cependant, si vous avez un problème continu ou s'il y a une certaine manière dont un signal anormal est permis pour persister, puis ce peut devenir un problème et, comme dans l'effet de Lorenz, une petite rupture peut être amplifiée énormement pour devenir un problème grave. Comment ce message rayonne-t-il dehors aux parties de communication du coeur ?

Il est très peu probable que juste une cellule allant mal posera un problème immédiat à un coeur composé des milliards de cellules. Mais retournant à l'effet de Lorenz, il est absolument possible en principe que si un nombre vraiment minuscule de cellules vont mal, dans l'endroit faux au mauvais moment tels qu'ils touchent à l'état basique d'organisation de cellules de coeur puis il peuvent progresser deviennent une issue significative.

Nous croyons que cette partie de la raison pour laquelle les événements minuscules deviennent amplifiés pour causer la maladie est l'incapacité de ces mécanismes gatekeeping de faire taire ou ignorer les cellules anormales.

Comment aviez-vous l'habitude l'effet de Lorenz et les modèles d'ordinateur pour comprendre mieux ce qui se produit dans la maladie cardiaque ?

Si vous suiviez les arguments que nous avons faits jusqu'ici au sujet de ce qu'est l'effet de Lorenz, le point crucial à obtenir à travers est que la trajectoire d'une série d'événements qui se conforme à ces principes est prévisible si vous comprenez asse'au sujet de la situation initiale.

Nous avons passé beaucoup d'années étudiant des populations de cellules et les regardant comment chaque cellule communique avec ses voisins et influence son environnement local sous la normale et ? maladie-comme ? conditions.

Nous avons donc une perspicacité expérimentale très bonne dans ce qui se produirait si, par exemple, 5% de vos cellules se comportait anormalement du repos ; ce qui se produirait si vous arrêtiez les cellules de la communication de la manière qu'elles font habituellement, ce qui se produirait si vous sépariez physiquement certaines des cellules entre eux ou vous aviez l'habitude des produits chimiques pour changer la manière dont les cellules codent l'information.

Nous avons effectué un nombre important de ? saveurs ? de ces types d'expériences sur un certain nombre d'années et comme pour penser que nous comprenons maintenant une des causes déterminantes de ces conditions initiales dans le grand détail, à savoir comment une cellule manipule un calcium crucial de signal.

Les limitations principales de ? cellule vivante ? les expériences est cependant que si vous continuez à pousser des cellules pour exécuter au delà de leur gamme normale des processus physiologiques, ce déclenche habituellement un mécanisme gatekeeping terminal et en conséquence elles mourront.

Ainsi, nous avons un seuil limité de tolérance cellulaire, expérimentalement, de ce que nous pouvons faire avant que toutes les cellules mourir - mais une simulation sur ordinateur ne fait pas. Ces simulations, si elles sont installées pour imiter convenablement les conditions initiaux d'un réseau de cellules, peuvent explorer les ce qui-Statistiques financière internationale, les pourquoi et les conséquences de l'entrée dans la phase suivante du comportement de cellules d'une manière dont n'est pas possible dans le laboratoire.

Ce que nous avons fait est d'introduire nos données expérimentales dans un modèle d'ordinateur qui est installé pour regarder les chemins pre-ordained et déterministes basés sur un nombre d'ensemble de conditions initiales que nous avons définies.

Est-ce que par exemple, si vous considérez un arrangement composé de quatre processus (A, B, C et D), les simulations sur ordinateur nous permettent de regarder ce qui se produit dans a ? causer-ou-conséquence ? la mode à B si vous changez A, ce qui seront en conséquence les implications pour C ou D et à la façon dont l'interaction globale entre A, B, C et D peut changer. Ces simulations nous permettent de jouer avec l'effet de Lorenz en scénarios qui ne sont pas possibles pour exécuter en cellules vivantes.

Est-ce que ceci vous signifie peut commencer à comprendre la maladie cardiaque plus rapidement ?

La capacité de changer une gamme des conditions nous permet de faire des choses à un taux qui n'est pas possible expérimentalement. C'est une manière de la prévision, dans le silico, ce que les cellules feront en réponse à un certain traitement ou exposition à certains stimulus.

L'avantage énorme des simulations sur ordinateur est que nous avec précision (mathématiquement) définissons les conditions initiales basées sur nos vastes archives des résultats expérimentaux.

Que sont ? points de crise ? et pourquoi sont-ils importants ?

Chaque système que vous voyez autour de vous tel que la circulation sur les autoroutes, un vol d'avion par l'air, un papillon agitant ses ailes, la manière vous marchez ou riez, êtes tous partie d'une série orchestrée d'événements. Si nous regardions en arrière votre vie les vingt premières années de votre vie, par exemple, est-ce qu'elle suivrait-elle une certaine trajectoire du fait vous étiez né, vous est passée par l'enfance et l'école et l'université ? il y a un chemin là.

Cependant, à certains points dans votre vie, il y aura eu des phases qui ont déterminé comment vous avez pris la prochaine décision. Dites-, par exemple, vous échouent tous vos niveaux d'A et vous ne pouvez pas aller à l'université que vous voulez aller à. Vous avez alors obtenu d'aller quelque part autrement et le chemin que votre vie aurait pris est fondamentalement remodelé.

Biologiquement, la prise de décision cellulaire se produit d'une manière semblable. Dans une cellule, les circulations de l'information par l'intermédiaire des signaux ont produit par des interactions et des réseaux biochimiques de protéine-protéine. Le long de ces chemins sont les points auxquels le signal pourrait prendre des options multiples. Le nombre d'options possibles donne à des cellules leur plasticité de fonction.

Comme exemple, nous pouvons comparer ces points à l'utilisation d'un clavier par un dactylo de contact. Ils écrivent professionnellement pour une vie et ont un énorme nombre de mots à choisir de de communiquer leur message. Mais la richesse entière de la langue disponible à eux se compose de juste 26 caractères. Ils peuvent écrire quelque chose qu'ils veulent mais il dépend de leur capacité de commander comment ils emploient ces 26 lettres de l'alphabet.

Maintenant, laissez ? s imaginent que quelqu'un hérite le bureau pendant un matin et indique ? Je prends Q outre de votre clavier. ? Cela signifierait que le dactylo pourrait plus n'écrire les mots ? vite ? ou ? tranquillité ? par exemple. Cependant, ils pourraient proposer d'autres manières de l'écriture ce qu'ont signifié ils. Ce serait un ennui absolu, mais ils pourraient s'adapter à lui.

Le point de crise dans ce cas aurait Q enlevé le clavier parce que celui que le dactylo ait pu faire à l'avance est maintenant beaucoup plus limité, bien qu'elles pourraient encore communiquer raisonnablement facilement.

Cependant, si la décision était alors prise pour enlever W, A, et S du clavier, le dactylo beaucoup davantage serait contraint quant à ce qu'elles pourraient écrire. En raison de ceci la richesse et la nuance de leurs communications seraient sensiblement réduites. Le message devrait être simplifié pour employer peu de mots.

Chacune de ces lettres venant au loin le clavier représente un certain point de crise, où vous avez une décision à faire concernant la façon procéder, et le déplacement de chaque lettre représente des états successivement contraints du système

Pour prolonger l'analogie au point d'arrêt, si E, I, O et U étaient alors enlevés, puis au dactylo devrait admettre la défaite parce qu'ils ne pourraient plus communiquer.

Il y a certains paramètres critiques, qui dans ce cas-ci seraient des lettres sur un clavier, où hors des 26 lettres, il y aurait des pertes importantes de fonction si seulement cinq étaient perdus. Elle n'a pas besoin de chacun des 26 pour disparaître, dépend-elle juste de ce qui est pris, quand et de la façon dont et ce qui vous ? gauche re avec.

Comment osent-ils les résultats du comportement de cellules en réponse à a ? point de crise ? soyez prévu ?

Si nous je prenions la lettre Q outre du clavier, pourrions-nous prévoir que le dactylo devrait écrire le mot ? vite ? d'une manière différente ; ils ? d emploient peut-être ? rapid ? ? expédié ? ou quelque chose bien plus compliquée, parce qu'ils ne pourraient pas écrire ? vite ?. Ainsi, nous pourrions prévoir ce qu'ils devraient faire parce que nous saurions ce qui avait été fait.

En termes de biologie, si certaines protéines ou certaines cellules électrique-excitables sont prises hors du mélange, pourrions-nous prévoir comment ce système s'adapterait parce qu'il peut maintenant ? t font certaines choses. Parfois cependant, le système peut pouvoir faire quelques choses différemment qu'il n'a jamais faites avant qu'et réapprenniez donc quoi faire.

Est-ce que cela vous signifie observent des systèmes faire les choses qui jamais n'ont été enregistrées avant ?

Absolument. Il y a une branche intéressante dont de la science traite les propriétés ? réseaux émergents ? ce qui étudie comment le comportement d'une série organisée de composants émerge de l'remontage d'une certaine manière.

La meilleure manière de le décrire est comme genre d'aspect révélatoire des propriétés qui n'étaient pas un dispositif des différents composants. C'est vraiment fascinant.

Pensez-vous cette recherche mènerez-vous à de nouvelles manières de retarder le début de la maladie cardiaque et de renverser potentiellement même le processus ?

Oui, mais une des choses qui nous ? très averti re de est que l'attention de médias que notre travail a suscitée a été en baisse nos efforts de visualiser des phénomènes incroyablement compliqués. Ce que nous ne voulons pas faire est de donner aux gens l'impression que ceci va mener à une nouvelle manière de traiter la maladie cardiaque en deux années à venir, par exemple. Elle ne va pas faire cela.

Ce qu'elle va faire est d'obtenir des personnes pensant à l'occurrence de processus de la maladie par l'intermédiaire des étapes et des points de crise et comment, si ceux-ci se conforment à la théorie de chaos, alors il peut prévoir si asse'est connu au sujet de l'état basique du système.

Pour ce que nous visons finalement est la détection des anomalies aux étapes les plus préliminaires possibles du processus de la maladie. Les gens peuvent être une certaine manière outre de développer les symptômes de la maladie cardiaque en ce moment.

Puisque notre travail prouve que l'organisation des réseaux de cellules de coeur se conforment à la théorie de chaos, signifie-t-il que, en principe au moins, il est possible de prévoir la transition de ? normal ? à ? la maladie ? dans ces réseaux et par la suite, au coeur. Nous croyons que si nous comprenons asse'au sujet du changement de la normal-à-maladie du système, nous pourrons prévoir quand les décisions seront nécessaires et ce que seraient les conséquences de ces décisions.

Il ? s utile pour penser à ceci utilisant un autre exemple réel. Dites que vous conduisez à travers au Pays de Galles et vous savez qu'en 70 milles de temps vous allez croiser le pont de Severn, mais vous savez que le pont est dû fermé à de forts vents.

One-way que vous pourriez retarder obtenir à cette éventualité et si tout va bien la constatation que le pont aurait été rouvert, serait de ralentir. Un petit changement à la pédale d'accélérateur aurait cet effet.

L'autre manière que vous pourriez éviter le problème du pont étant fermé serait d'employer votre reposé-nav et par l'intermédiaire de petits tours du volant choisissez un autre itinéraire qui peut dévier le pont par des dizaines de milles, mais réellement prendriez moins de temps d'accomplir que si vous deviez ralentir. Chacun de ces choix est un cas de l'effet de Lorenz, mais la capacité du conducteur de choisir entre les deux est due à la coexistence de ces états dans le même système.

Dans ce sens, un système malade adopte de nouveaux états suboptimaux jusqu'à ce qu'il manque de choix. Tous les systèmes dans le corps sont-ils déterministes ? Pourrions-nous potentiellement prévoir les maladies dans d'autres organes ?

Nous avons seulement regardé des cellules de coeur en ce moment à temps, mais il y a un montant considérable d'évidence que tous les organes de corps fonctionnent en raison de la synchronisation.

Par exemple, votre cerveau ? production de la parole de commandes de centre de la parole de s, qui se fonde sur l'organisation très précise des signaux de nerf aux muscles dans votre langue, mâchoire, cou, qui fait déplacer votre bouche, qui te permet de parler. Tout est synchronisé.

Ainsi, ce fait partie de l'hypothèse que nous développons, qui est que d'autres maladies d'une nature progressive impliquent se démêler séquentiel des systèmes d'organe selon ce modèle prédéterminé.

Pensez-vous l'effet de Lorenz et la simulation sur ordinateur pourrait-elle aider à jeter la lumière sur le cancer ?

Nous mettons ? de t les mécanismes d'étude spécifiquement de la croissance mais de elle de cellule cancéreuse est vrai pour indiquer que les systèmes d'organe dans le corps dépendent de la synchronisation des cellules dans la même chose étaient comme le fait le coeur.

Ainsi, si vous regarde le cancer d'une manière très simple - comme groupe de cellules perdant leur capacité de cesser de s'élever quand ils devraient, ou ces cellules qui commencent à s'élever quand ils shouldn ? t ? alors les choses que nous avons discutées ci-dessus sont appropriées.

Il est probable que le problème commence par un effet très minuscule, parce que la communication entre une cellule et une autre décompose et n'est pas corrigée et ceci s'écarte alors à ses voisins, qui prend alors d'autres voisins vers le bas etc. etc…. Tellement oui, nous spéculerions que peut-être les origines du cancer et d'autres maladies (par exemple neurodegeneration) sont dues à la désynchronisation, que peut être vrai.

Quels sont vos futurs plans de recherches ?

Nous voulons essentiellement faire cette plus grande échelle. Tout que nous avons édité et la raison que vous nous parlez maintenant est parce que nous avons regardé un système expérimental des réseaux bidimensionnels de cellules de coeur. Naturellement cependant, notre coeur n'existe pas comme 2D réseau simple de cellules et nos corps fonctionnent comme combinaison des tissus, des organes, et de la physiologie organisés, intégrés, tridimensionnels.

Nos futurs plans de recherches sont d'employer ceci comme cadre pour passer vers le haut dans la balance par les ordres supérieurs des tissus tridimensionnels, de la physiologie entière d'organe et du corps.