مدل های ریاضی می توانند به ما در درک بیماری های پیچیده – و احتمالاً درمان – کمک کنند

یک اختلال نادر اما دردناک می تواند خوردن غذا را برای افراد دشوار کند. این علائم شامل کاهش وزن و درد قفسه سینه بعد از غذا خوردن است. دانشمندان در حال تلاش برای درک بهتر این شرایط هستند ، معروف به مری غوغا، به امید یافتن گزینه های بیشتر درمان یا پیشگیری.

ما در تلاش هستیم تا با رویکردی که ممکن است با تحقیقات پزشکی در ارتباط نباشید ، در این تلاش مشارکت کنیم. این شامل ریاضی ، فیزیک و مدل سازی رایانه است.

اول ، درک چگونگی عملکرد مری مفید است. هنگامی که یک فرد غذا را بلعید ، عضلات مری به روشی هماهنگ برای انتقال مواد غذایی به معده و دستگاه گوارش منقبض می شوند.

در بیمار مبتلا شکل غیرمعمول و مارپیچی (از این رو نام). پزشکان به ما گفته اند که انقباضات عضلانی آتیپیک هنگام بلع عامل مهمی در شکل گیری شکل شکل است. هنگامی که شخصی با این بیماری در حال بلع است ، Corkscrew بیشتر قابل مشاهده است. هنگامی که عضلات آنها آرام می شود ، مری به شکل استوانه ای معمولی باز می گردد.

بنابراین ، در آزمایشگاه های ما در دانشگاه NIST و شمال غربی ، ما در حال ساختن یک مدل رایانه ای از مری انسان هستیم و جزئیات دقیقه آن را اندازه گیری می کنیم تا ببینیم چه چیزی می توانیم در مورد مری و ماهیچه هایی که غذا را به معده منتقل می کنند ، بیاموزیم.

اندازه گیری مری در یک کامپیوتر

این مدل رایانه ای یک کار پیچیده است زیرا بدن انسان بسیار پیچیده است. طبق تخمین های فعلی ، 30 تریلیون سلول در بدن وجود دارد! پیگیری همه این سلول ها و حرکات آنها برای هر شخص یا رایانه ای بسیار چالش برانگیز است (حداقل تاکنون).

اندامهای بدن پاسخهای جالبی به محرک ها دارند ، بنابراین باید در نظر بگیریم که سعی می کنیم آنها را الگوبرداری کنیم. در فیزیک دبیرستان ، شما با توپ های بیلیارد مفاهیم را الگوبرداری می کنید و فرض می کنید که وقتی یک قانون جسمی مانند حرکت نشان می دهید ، شکل آنها تغییر نمی کند. اما در بدن ما ، هندسه بخشی از فیزیک است. چین و چروک های پوستی ما ، مغز ما دارای لکه دار است و دست ما می تواند شکل های مختلفی ایجاد کند.

بنابراین ، همه قوانین فیزیک سنتی برای بدن ما به همان روشی که برای اشیاء بی جان انجام می دهند ، صدق نمی کند. به عنوان مثال ، شما ممکن است قوانین حرکت نیوتن را به خاطر بسپارید. یک قانون کلیدی این است که اشیاء در حالت استراحت در حالت استراحت باقی می مانند و اشیاء در حال حرکت در حال حرکت هستند – مگر اینکه به آنها عمل شود.

قطعات بدن حتی بدون اینکه با نیرویی عمل کنند ، به ظاهر با این قانون عمل می کنند. به عنوان مثال ، قلب انسان به طور خودکار و بدون هیچ نیرویی که اتفاق بیفتد ضرب و شتم می کند. سلولهای ما نیز به تنهایی رشد می کنند ، حرکت می کنند و تقسیم می شوند.

با توجه به تمام این عوامل ، ما با یک مدل اساسی مری شروع کردیم که کمی شبیه یک سیلندر الاستیک است.

هنگامی که ما بلع می کنیم ، فشار به محض اینکه عضلات ما برای فشار دادن مواد غذایی به سمت معده افزایش می یابد ، افزایش می یابد. فشار غیر طبیعی در این فرآیند با آسیب بافت مری مرتبط است. این به شرایطی مانند مری Corkscrew کمک می کند.

اندازه گیری فشار مری در بیماران به طور مستقیم تهاجمی خواهد بود ، بنابراین مدل های رایانه ای جایگزین ایمن تر و عملی تری را ارائه می دهند. ما از شبیه سازی ها برای اندازه گیری فشار و تأثیر آن بر روی بافت ها استفاده می کنیم ، بنابراین می توانیم به شناسایی آستانه های فشار که ممکن است منجر به بیماری های مری شود ، کمک کنیم.

دیدن تأثیرات تحقیق: داستان Xinyi

مدرک کارشناسی من در فیزیک و ریاضی بود. اکنون ، من یک دکتری سال پنجم هستم. کاندیدای دانشگاه شمال غربی ، جایی که من علوم مهندسی را مطالعه می کنم و ریاضیات کاربردی را در استاد Nelesh A. Patankar's گروه تحقیقاتی.

یکی از پروژه های تحقیقاتی استاد پاتانکار بر نحوه حرکت مواد غذایی از طریق مری متمرکز است. ما در دانشکده پزشکی فینبرگ دانشگاه شمال غربی در حال کار با متخصصان گوارش هستیم تا بتوانیم حرکت مری را در هنگام بلع بهتر بشناسیم. هدف کلی کمک به شناسایی دلایل اساسی شرایط مری است.

تابستان گذشته ، من کارآموزی را با محقق NIST لروی جیا به پایان رساندم. علاقه لروی به مدل سازی ریاضی علاقه من به جنبه های مکانیکی این وضعیت پزشکی را تکمیل می کند.

این تحقیق برای من شخصی است زیرا پدرم وضعیت پزشکی دارد که بلع را دشوار می کند. بنابراین ، من در خانواده خودم مشاهده می کنم که چگونه کار ما می تواند بر مردم تأثیر بگذارد. قادر به استفاده از مهارت های ریاضی برای کمک به حل یک مشکل ، باعث می شود احساس موفقیت آمیز داشته باشم ، به خصوص هنگامی که ممکن است به نفع کسی در خانواده من باشد.

حل مشکلات با ریاضی (مشکلات): داستان لروی

مشابه Xinyi ، من همچنین در سطح کارشناسی فیزیک و ریاضی را مطالعه کردم و دکتری خود را گرفتم. در ریاضی کاربردی وقتی دکتری بودم دانشجوی دانشگاه براون ، فهمیدم که بیشتر به کاربردهای فیزیکی ریاضی علاقه مندم. من می خواستم ببینم که چگونه می توان آن را برای مشکلات دنیای واقعی اعمال کرد.

من دو مشاوره داشتم – یکی در فیزیک و دیگری در مهندسی. من زمان زیادی را در هر دو بخش صرف کار با افراد با پیشینه های مختلف کردم. من همیشه تحقیقات بین رشته ای را دوست داشته ام زیرا به من این امکان را می دهد تا در مورد بسیاری از مشکلات دیدگاه های مختلفی کسب کنم.

وقتی Xinyi در مورد این کارآموزی به من نزدیک شد ، من از این وضعیت پزشکی خاص نشنیده بودم ، اما فکر می کردم معادلات جذاب به نظر می رسد. من فکر کردم این یک مشکل ریاضی جالب و عمیق است که روی آن کار کنید ، با کاربردهای عملی که می تواند به مردم کمک کند. من به عنوان یک ریاضیدان ، من بخش اعظم حرفه خود را بیشتر در قلمرو نظری کار کرده ام ، بنابراین کار بر روی این پروژه و دانستن تأثیر مثبت ما ممکن است بسیار خوشحال کننده بوده است.

من عاشق ریاضیدان هستم به دلیل ظرافت ریاضیات. معادلات ما می تواند دشوار باشد. اما از نظر منطقی ، وقتی نتایج را توضیح می دهید ، ایده ها در واقع بسیار ساده هستند.

به عنوان مثال ، هنگامی که تغییرات کوچک باعث ایجاد یک اثر بزرگ می شود ، این نمونه ای از مفهوم علمی بی ثباتی است. در حالی که پیش بینی می کند چه زمانی مری به یک تکه تکه تبدیل می شود ، ایده های موجود در آن اساسی است – بفهمید که مهمترین تأثیرات چیست و چگونه آنها برای ایجاد بی ثباتی در مری ایجاد می کنند.

وقتی مدل سازی ریاضی را به خوبی انجام می دهید ، درک صحیحی از آنچه اتفاق می افتد دریافت می کنید. این موردی است که آیا شما در حال مدل سازی جنبه ای از بدن انسان ، الگوهای آب و هوا یا حرکات سیارات هستید. می توانید نتیجه گیری های خود را با اعداد پشتیبان تهیه کرده و یافته ها را تفسیر کنید.

استفاده از مدل های رایانه ای و ریاضیات برای بهبود سلامتی ما

در حال حاضر هیچ درمانی قطعی برای مری Corkscrew وجود ندارد. پزشکان بیشتر به جای پرداختن به علت اصلی این بیماری ، بر کاهش علائم تمرکز می کنند. درک بهتر فیزیک در مورد اینکه چرا این بیماری ممکن است به دانشمندان کمک کند تا درمان های هدفمند و مؤثرتری را برای این بیماران ایجاد کنند. این ممکن است شامل یک دستگاه پزشکی یا بافت های مهندسی شده برای کمک به قورت دادن به افراد باشد.

ما همچنین امیدواریم که به یک چالش علمی و پزشکی گسترده تر بپردازیم – چگونه تغییرات ظریف در رفتار بافتهای ما می تواند منجر به تغییرات چشمگیر و آسیب زا در قسمت های بدن شود. ما می خواهیم بینش بیشتری نسبت به روشهای دیگر که بی ثباتی می تواند بر سلامت ما تأثیر بگذارد ، بدست آوریم. اگر بتوانیم از اصول ناپایداری کاملاً کاربردی کشف کنیم ، می توانیم در مورد بسیاری از چالش های بیولوژیکی ، از جمله برخی از بیماری های رگ خونی ، بیاموزیم.

در نهایت ، این تحقیق چیزی بیش از حل یک معما پزشکی است. این شکاف بین مدل سازی نظری و کاربردهای بیمار در دنیای واقعی است. ما امیدواریم که این مسیری را برای کاهش رنج و گسترش درک ما در مورد چگونگی عملکرد سیستم های پیچیده در بدن انسان فراهم کند.