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Unter Verwendung des Schmetterlingseffektes, zum von Herzkrankheit vorauszusagen: ein Interview mit Dr. George und Dr. Parthimos, Cardiff-Universität

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Was ist der Schmetterlingseffekt? Können Sie einige Beispiele der Systeme bitte nennen, die es ausstellen?

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Gelassen? s-Anfang mit einer formalen Definition:

Der Schmetterlingseffekt ist ein Phänomen, das mit Chaostheorie verbunden ist, in der eine kleine Veränderung im Anfangszustand eines deterministischen, nicht linearen Systems große Unterschiede bezüglich eines neueren Zustandes ergeben kann.

Es ist eine schöne Aussage über, was der Schmetterlingseffekt ist und wenn wir ihn wirklich unten zu seinen Bestandteilen brechen, ich kann zu errichten, anfangen eine Sichtabbildung von, was es ist.

Der Ausdruck? Schmetterlingseffekt? wird einem berühmten Mathematiker (Edward Lorenz) arbeitend an Chaostheorie zugeschrieben, die ihn zum Mechanismus verglich, durch den ein Schmetterling, der seine Flügel im Amazonas flattert, einen Hurrikan in Texas produzieren kann. Der Ausdruck bedeutet folglich, dass eine kleine Störung in einem System genug ist, zum der entschlossenen Ereignisse groß zu verdrehen, zu beeinflussen oder zu ändern.

Das Hervortreten des Schmetterlingseffektes in vielen körperlichen Ereignissen deckt zwei grundlegende Gesetze auf, die alle nicht linearen Systeme untermauern. Die erste Grundregel bekannt als Determinismus, also bedeutet es, dass die Entwicklung eines Ereignisses genau zukünftig gefolgt werden kann, solange wir seinen exakten Ausgangspunkt und die Richtlinien kennen von, wie eine Situation mit Zeit ändern kann.

Das Leben selbst ist bis zu einem gewissen Grad ein Beispiel eines deterministischen Prozesses, weil vom Moment Sie geboren sind, Sie folgen den Gesetzen des Wachsens und des Alterns in einer groß entschlossenen Flugbahn.

Das zweite grundlegende Gesetz, das den Schmetterlingseffekt untermauert, ist die Tatsache, dass viel Verhalten innerhalb eines nicht linearen Systems koexistiert und ist vorhanden, einer minimalen Bemühung schnell und mit beschlossen zu werden, um sich einer spezifischen Bedingung oder einer Anforderung anzupassen.

Ein gutes Beispiel ist unsere eigene Fähigkeit, auf minuziöse Anregungen, wie eine erkannte Drohung zu reagieren, entweder, indem es ruhig das Risiko wiederholt oder indem es sofort defensiv unseren vollständigen Körper durch eine Kaskade von Prozessen einzieht.

Dieses ist der Fall in? Kampf oder Flug? Antwort, wenn ein kleiner Ton unseren Herzschlag aufwerfen, unsere Pupillen weiten, unser Verdauungssystem unterdrücken und eine Reihenfolge der verbundenen Änderungen verursachen kann, die uns vorbereiten, uns gegen eine mögliche Gefahr zu verteidigen.

Interessant sobald diese Kettenreaktion eingeleitet wird, sind die Schritte offenbar deterministisch und von diesem erhöhten Zustand des Alarms zurücktreten erfordert den Prozess, seinem passenden Kurs zu folgen. Es ist offensichtlich, dass die Grundregeln, die im Schmetterlingseffekt eingebettet werden, so grundlegend sind, dass sie durch Entwicklung als unser Körper eingesetzt worden sind? Linie s-erstes der defensiven Antworten.

Ein anderes klassisches Beispiel der Empfindlichkeit, zum von Bedingungen, von Determinismus und von Koexistenz aller möglichen Resultate innerhalb eines Systems abzuzeichnen ist die Entwicklung des Wetters.

In einer Wettervorhersage werden alle meteorologischen Informationen verwendet, um einen basalen Zustand zu definieren. So zu einer bestimmten Zeit, kann der Luftdruck, die Windgeschwindigkeiten, Oberflächentemperaturen, Wolkenanordnung alle gemessen werden und integriert werden, um eine mathematische Abbildung des Wettersystems in der Welt zu erzeugen.

Jetzt wenn Sie genug über jene Bedingungen verstehen, können Sie, was dieses Wetter tun wird, entsprechend der Grundregel von Determinismus prognostizieren eingebettet in der Chaostheorie.

Auf was, den Schmetterlingseffekt sich bezieht, ist das Potenzial des Wettersystems, sich zu aller Art der verschiedenen atmosphärischen Phänomene unter kleinem zu entwickeln, scheinbar inkonsequent, Unterbrechung des Anfangsbild, mit sehr großen Verzweigungen für globales Wetter.

Ich denke nicht, dass die Störung so wenig wie ein Schmetterling sein könnte, der seine Flügel flattert, aber sie etwas wie ein besonders heißer kleiner Flecken des Landes in den Vereinigten Staaten sein könnte, die die Luft verursacht, die über ihn zum Aufstieg zu einer ungewöhnlichen Höhe und zu den Änderungen dieses Ereignisses die Dynamik des vollständigen Systems überschreitet.

Konnten Sie wie und warum bitte umreißen gesunde Herzen sind abhängig von der Synchrounisierung der sehr großen Netze der Zellen?

In dem Augenblick als, Ihr Herz vermutlich bei 60-70 Schlägen ein Minute, aber schlägt, ihm schlägt als vollständig organisierte Maßeinheit.

Ihr Herz besteht Milliarden Zellen, die als ein Organ sich benehmen und wenn Sie zurück zu der Chaostheorie denken wir gerade durch sprachen, eine Unterbrechung in irgendeiner jener Zellen hat das Potenzial, die gesamte Synchrounisierung des Herzmuskels zu ruinieren.

Der normale Herzschlag hängt vom Zellenwissen ab, was ihre Nachbarn tun. Was im Herzen in den Krankheitzuständen und im Altern geschieht, ist das aus jenen Milliarden Zellen heraus, möglicherweise gehen ein oder zwei oder Hunderte oder Tausenden von ihnen Macht falsch und weil sie miteinander verbunden werden, könnte die Unterbrechung in jene Zellen verbreiten, die vorher unberührt waren. Der Nettoeffekt ist, dass verhältnismäßig große Teile Ihres Herzgewebes normalerweise zu arbeiten dann, stoppen konnten.

In einem Herzinfarkt sterben eine große Anzahl Zellen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums der Zeit und die normale Zelle-zuzelle Kommunikation über der betroffenen Region des Herzmuskels wird abgeschafft. Dieses gründete einige Probleme, die mit Haben eines Klumpens des Gewebes funktionell lokalisiert vom Rest des Herzens überwiegend in Verbindung stehend sind. Dieses führt zu anormalen Rhythmus (Arrhythmie) und arme Muskelkontraktion.

Wieviele Zellen müssen solch einen Effekt falsch anstreben aufzutreten?

Wir wissen nicht, wieviele Zellen falsch gehen müssen, das ist, warum wir uns an Computersimulationen gewendet haben, um uns zu helfen, einige dieser Ausgaben zu betrachten in Bezug auf, was die kritischen Punkte sind, das ein normales (gesundes) System zu anormales (krankes) macht.

Im Körper wichtig? Pförtner? Mechanismen existieren normalerweise, um benachbarte Zellen an aufheben auf den anormalen Signalen zu verhindern, die von allen möglichen Zellen kommen, die falsch gehen; die anormale Zelle kann zum Schweigen gebracht werden (durch getötet werden) oder ignoriert werden (durch abschneidene Kommunikation).

Jedoch wenn Sie ein laufendes Problem haben, oder, wenn es irgendeine Weise gibt, in der ein anormales Signal fortzubestehen erlaubt wird, dann kann es ein Problem werden und, wie im Schmetterlingseffekt, kann eine kleine Unterbrechung sehr groß verstärkt werden, um eine wichtige Angelegenheit zu werden. Wie strahlt diese Mitteilung heraus zu in Verbindung stehenden Teilen des Herzens aus?

Es ist sehr unwahrscheinlich, dass gerade eine Zelle, die falsch geht, ein sofortiges Problem in einem Herzen aufwirft, das von den Milliarden Zellen gebildet wird. Aber, zurück gehend zum Schmetterlingseffekt, ist es prinzipiell absolut möglich, dass, wenn eine wirklich kleine Anzahl von Zellen falsch gehen, im falschen Platz am falschen Moment so, dass es den basalen Zustand der Herzzellenorganisation dann es stört, weiterkommen können werden eine bedeutende Ausgabe.

Wir glauben, dass dieses Teil des Grundes, dass kleine Ereignisse verstärkt werden, um zu verursachen, Krankheit die Unfähigkeit jener gatekeeping Mechanismen ist, die anormalen Zellen zum Schweigen zu bringen oder zu ignorieren.

Wie benutzten Sie den Schmetterlingseffekt und die Computermodelle, um besser zu verstehen, was in der Herzkrankheit geschieht?

Wenn Sie den Argumenten folgten, die wir bis jetzt gebildet haben über, was der Schmetterlingseffekt ist, ist der entscheidende Punkt, zum herüber zu erhalten, dass die Flugbahn einer Reihe Ereignisse, die an diese Grundregeln sich anpaßt, vorhersagbar ist, wenn Sie genug über die Anfangssituation verstehen.

Wir haben viele Jahre Zellenbevölkerungen nachforschend und betrachtend verbracht, wie jede Zelle seine Nachbarn ist und seine lokale Umgebung unter Normal beeinflußt und? Krankheit-wie? Bedingungen.

Wir haben folglich einen sehr guten experimentellen Einblick in, was geschehen würde, wenn 5% z.B. Ihrer Zellen sich unnormal vom Rest benahm; was geschehen würde, wenn Sie die Zellen vom In Verbindung stehen auf die Art stoppten, die sie normalerweise tun, was geschehen würde, wenn Sie physikalisch einige der Zellen von einander trennten oder, Sie benutzten Chemikalien, um die Weise zu ändern, in der Zellen Informationen verschlüsseln.

Wir haben eine große Anzahl von durchgeführt? Aromen? von diesen Arten von Experimenten in einigen Jahren und wie denken, dass wir jetzt einen der bestimmenden Faktoren dieser Anfangsbedingungen in allen Einzelheiten verstehen, nämlich wie eine Zelle ein entscheidendes Signalkalzium behandelt.

Die Hauptbeschränkungen von? lebende Zelle? Experimente ist zwar dass, wenn Sie halten, Zellen zu drücken, um über ihrer normalen Strecke der physiologischen Prozesse hinaus durchzuführen, es auslöst normalerweise einen gatekeeping Terminalmechanismus und infolgedessen sterben sie.

So haben wir eine begrenzte Schwelle der zellularen Toleranz experimentell von, was wir tun können bevor alle Zellen zu sterben - aber eine Computersimulation tut nicht. Diese Simulationen, vorausgesetzt sie gegründet werden, um die Anfangszustände eines Zellennetzes passend nachzuahmen, können den was-ifs, die Whys und die Konsequenzen des Bewegens in die folgende Phase des Zellenverhaltens auf eine Art erforschen, die nicht im Labor möglich ist.

Was wir getan haben, ist, unsere experimentellen Daten in ein Computermodell einzuziehen, das gegründet wird, um die vorherbestimmten, deterministischen Wege zu betrachten, die auf einer Satzanzahl von Anfangsbedingungen basieren, die wir definiert haben.

Z.B. wenn Sie einen Entwurf gebildet von vier Prozessen betrachten (A, B, C und D), die Computersimulationen erlauben uns, was zu betrachten in a geschieht? Verursachen-oderkonsequenz? Art und Weise zu B, wenn Sie A ändern, was die Implikationen für C oder D infolgedessen sind und zu wie die Gesamtinteraktion zwischen A, B, C und D kann ändern. Diese Simulationen erlauben uns, mit dem Schmetterlingseffekt in den Drehbüchern zu spielen, die nicht möglich sind, um in lebenden Zellen durchzuführen.

Bedeutet dieses Sie kann anfangen, Herzkrankheit schneller zu verstehen?

Die Fähigkeit, eine Strecke der Bedingungen zu ändern erlaubt uns, Sachen mit einer Rate zu tun, die nicht experimentell möglich ist. Es ist eine Weise von Vorhersage, im silico, was die Zellen in Erwiderung auf eine bestimmte Behandlung oder eine Aussetzung zu bestimmten Anregungen tun.

Der sehr große Vorteil der Computersimulationen ist, dass wir genau (mathematisch) die Anfangsbedingungen definieren, die auf unserem beträchtlichen Archiv der experimentellen Entdeckungen basieren.

Was sind? Krisenpunkte? und warum sind sie wichtig?

Jedes System, das Sie um Sie wie Verkehrsstrom auf die Autobahnen sehen, ein Flugzeugfliegen durch die Luft, ein Schmetterling, der seine Flügel, die Weise gehen Sie flattert oder lachen, sind alles Teil einer instrumentierten Reihe Ereignisse. Wenn wir zurück Ihrem Leben die ersten Zwanzig Jahre Ihres Lebens z.B. betrachteten würde sie einer bestimmten Flugbahn dadurch, dass Sie geboren waren, Sie durchlief Kindheit und Schule und Universität folgen? es gibt einen Weg dort.

Jedoch an bestimmten Punkten in Ihrem Leben, hat es Phasen gegeben, die festgestellt haben, wie Sie die folgende Entscheidung getroffen haben. Sagen Sie z.B. Sie verlassen alle Ihre a-Niveaus und Sie können nicht zur Universität gehen, die Sie zu gehen möchten. Sie haben dann erhalten, irgendwo sonst zu gehen und der Weg, den Ihr Leben genommen haben würde, wird grundlegend umgestaltet.

Biologisch geschieht zellulare Beschlussfassung auf eine ähnliche Art. In einer Zelle produzierten Informationsflüsse über Signale durch biochemische Interaktionen und Proteinprotein Netze. Entlang diesen Wegen sind Punkte, an denen das Signal mehrfache Wahlen nehmen könnte. Die Zahl möglichen Wahlen gibt Zellen ihre Plastizität der Funktion.

Als Beispiel können wir diese Punkte zum Gebrauch einer Tastatur durch eine Notenschreibkraft vergleichen. Sie schreiben Berufs- für ein Leben und haben eine enorme Anzahl von den Wörtern, zum von zu beschließen, ihre Mitteilung mitzuteilen. Aber der gesamte Reichtum der Sprache, die für sie vorhanden ist, besteht gerade 26 Buchstaben. Sie können alles schreiben, das sie wünschen, aber es ist von ihrer Fähigkeit, zu steuern abhängig, wie sie jene 26 Buchstaben des Alphabetes benutzen.

Jetzt lassen Sie? s stellen vor sich, dass jemand das Büro ein Morgen erbt und sagt? Ich entferne Q Ihre Tastatur.? Das würde bedeuten, dass die Schreibkraft die Wörter nicht mehr schreiben könnte? schnell? oder? Ruhe? z.B. Jedoch konnten sie mit anderen Schreibweisen aufkommen, was sie bedeuteten. Es würde eine absolute Beeinträchtigung sein, aber sie konnten ihr sich anpassen.

Der Krisenpunkt in diesem Fall würde Q haben, das der Tastatur entfernt wurde, weil, was auch immer die Schreibkraft in der Lage war, vorher zu tun, viel jetzt eingeschränkt ist, obgleich sie noch angemessen leicht in Verbindung stehen konnten.

Jedoch wenn die Entscheidung dann getroffen wurde, um W, A und S von der Tastatur zu entfernen, würde die Schreibkraft viel mehr begrenzt hinsichtlich, was sie schreiben konnten. Resultierend aus diesem würden der Reichtum und die Nuance ihrer Kommunikationen im Wesentlichen verringert. Die Mitteilung würde vereinfacht werden müssen, um wenige Wörter zu verwenden.

Jeder jener Buchstaben, die weg die Tastatur kommen, stellt einen bestimmten Krisenpunkt dar, in dem Sie eine betreffend haben, wie man zu bilden Entscheidung, fortfährt und der Abbau jedes Buchstaben mehrmals hintereinander begrenzte Zustände des Systems darstellt

Zu die Analogie auf Schnittpunkt, wenn E, I, O und U dann entfernt wurden, dann die Schreibkraft auszudehnen würde Niederlage zulassen müssen weil sie nicht mehr in der Lage sein würden in Verbindung zu stehen.

Es gibt bestimmte kritische Parameter, die in diesem Fall Buchstaben auf einer Tastatur sein würden, wo aus den 26 Buchstaben heraus, es einen erheblichen Verlust der Funktion geben würde, wenn nur fünf verloren waren. Es benötigt nicht alle 26 zu gehen, hängt es gerade ab, von was genommen wird, wenn und von wie und was Sie? Relinks mit.

Wie kann das Resultat des Zellenverhaltens in Erwiderung auf a? Krisenpunkt? seien vorausgesagt Sie?

Wenn wir ich den Brief Q die Tastatur entfernten, könnten wir voraussagen, dass die Schreibkraft das Wort würde schreiben müssen? schnell? in einer unterschiedlichen Art; sie? d verwenden möglicherweise? Rapid? ? beschleunigt? oder etwas sogar gewunden, weil sie nicht schreiben konnten? schnell?. So könnten wir voraussagen, was sie würden tun müssen, weil wir wissen würden, was getan worden war.

In Biologie ausgedrückt wenn bestimmte Proteine oder bestimmte elektrisch-erregbare Zellen aus der Mischung heraus genommen werden, würden wir in der Lage sein, vorauszusagen, wie dieses System sich anpassen würde, weil es jetzt kann? t tun bestimmte Sachen. In einigen Fällen jedoch, kann das System sein, einige Sachen anders als zu tun, die es nie getan hat, bevor und folglich was wieder lernen Sie zu tun.

Bedeutet das Sie beobachten Systeme, Sachen zu tun, die nie vorher notiert worden sind?

Absolut. Es gibt eine interessante Niederlassung der Wissenschaft, dessen Eigenschaften beschäftigt? auftauchende Netze? welches nachforscht, wie das Verhalten einer organisierten Reihe Bestandteile von auf eine bestimmte Art zusammengefügt worden sein auftaucht.

Die beste Weise, es zu beschreiben ist als Art barend Aussehen von Eigenschaften, die nicht eine Eigenschaft der einzelnen Bestandteile waren. Das ist wirklich faszinierend.

Denken Sie diese Forschung führen zu neue Weisen, den Anfang der Herzkrankheit zu verzögern und den Prozess möglicherweise sogar aufzuheben?

Ja aber eine der Sachen die wir? Resehr bewusstes ist, dass die Mittelaufmerksamkeit, die unsere Arbeit erhalten hat, hinunter unsere Bemühungen, unglaublich schwierige Phänomene sichtbar zu machen gewesen ist. Was wir nicht tun möchten, ist, Leuten den Eindruck z.B. zu geben, den dieses zu einer neuen Weise der Behandlung von Herzkrankheit in den folgenden zwei Jahren führen wird. Sie wird nicht die tun.

Was sie ist, die Leute zu erhalten, die an das KrankheitProzeßauftreten über Stadien und Krisenpunkte denken und wie tun wird, wenn diese an Chaostheorie sich anpassen, dann kann es vorausgesagt werden, wenn genug über den basalen Zustand des Systems bekannt.

Was wir schließlich ist die Abfragung der möglichen Stadien der Abweichungen anstreben, frühestens des Krankheitprozesses. Leute können irgendeine Weise weg von die Symptome der Herzkrankheit an diesem Punkt entwickeln sein.

Da unsere Arbeit zeigt, dass die Organisation der Herzzellennetze an Chaostheorie sich anpassen, bedeutet es, dass, prinzipiell mindestens, es möglich ist, den Übergang von vorauszusagen? normal? zu? Krankheit? in diesen Netzen und schließlich, im Herzen. Wir glauben, dass, wenn wir genug über die Normal-zukrankheit Änderung im System verstehen, wir in der Lage sind, vorauszusagen, wann Entscheidungen erforderlich sind und was die Konsequenzen jener Entscheidungen sein würden.

Es? s nützlich, an dieses unter Verwendung eines anderen aus dem wirklichen Leben Beispiels zu denken. Sagen Sie, dass Sie herüber nach Wales fahren und Sie, dass in 70 Meilen Zeit Sie die Severn Brücke kreuzen werden, aber Sie wissen wissen, dass die Brücke an den starken Winden geschlossenes liegt.

One-way, den Sie an diese, Möglichkeit zu gelangen verzögern konnten und hoffnungsvoll zu finden, dass die Brücke wieder geöffnet worden sein würde, würde zu verlangsamen sein. Eine kleine Veränderung zum Gaspedalpedal würde diesen Effekt haben.

Die andere Weise, die Sie das Problem der Brücke vermeiden konnten, die geschlossen ist, würde, Ihr gesessen-nav zu verwenden sein und über kleine Umdrehungen des Lenkrads wählen Sie einen anderen Weg vor, der die Brücke durch 10 Meilen überbrücken kann, aber wirklich würde weniger Zeit nehmen als abzuschließen, wenn Sie verlangsamen mussten. Jede dieser Wahlen ist ein Fall vom Schmetterlingseffekt, aber die Fähigkeit des Fahrers, zwischen den zwei zu wählen liegt an der Koexistenz dieser Zustände innerhalb des gleichen Systems.

In diesem Sinne nimmt ein krankes System neue suboptimale Zustände an, bis es aus Wahlen heraus läuft. Sind alle Systeme im Körper deterministisch? Könnten wir Krankheiten in anderen Organen möglicherweise voraussagen?

Wir haben nur Herzzellen zu diesem Zeitpunkt betrachtet, aber es gibt eine riesige Menge Beweis, die alle Körperorgane wegen der Synchrounisierung bearbeiten.

Z.B. Ihr Gehirn? s-Sprachemittekontrollen-Spracheproduktion, die auf der sehr exakten Organisation der Nervensignale zu den Muskeln in Ihrer Zunge beruht, Kiefer, Ansatz, der Ihren Mund veranlaßt sich zu bewegen, der Ihnen ermöglicht zu sprechen. Alles wird synchronisiert.

So ist dieses ein Teil der Hypothese, die wir entwickeln, das ist, dass andere Krankheiten einer progressiven Natur das aufeinander folgende Entwirren der Organsysteme entsprechend diesem vorbestimmten Muster miteinbeziehen.

Denken Sie den Schmetterlingseffekt und Computersimulation könnte helfen, Licht auf Krebs zu verschütten?

Wir ziehen an? t-spezifisch Studienmechanismen des Krebszellenwachstums aber -sie ist zutreffend, zu sagen, dass Organsysteme im Körper von der Synchrounisierung der Zellen in den selben waren abhängen, wie das Herz tut.

So wenn Sie Krebs auf eine sehr einfache Art - als Bündel Zellen ansehen, die ihre Fähigkeit verlieren, wenn, zu wachsen zu stoppen, sie sollten, oder jene Zellen, die anfangen zu wachsen wenn sie shouldn? t? dann sind die Sachen, die wir oben besprochen haben, relevant.

Es ist wahrscheinlich, dass das Problem mit einem sehr kleinen Effekt anfängt, dadurch, dass die Kommunikation zwischen einer Zelle und andere aufgliedert und nicht behoben wird und diese dann zu seinen Nachbarn verbreitet, die dann andere Nachbarn etc. ETC… herunternimmt. So ja, würden wir spekulieren, dass möglicherweise die Ursprung von Krebs und von anderen Krankheiten (z.B. neurodegeneration) an der Entsynchronisierung liegen, dass zutreffend sein kann.

Was sind Ihre zukünftigen Forschungspläne?

Wir möchten im Wesentlichen diese größere Skala bilden. Alles, das wir veröffentlicht haben und der Grund, die Sie jetzt mit uns sprechen, ist, weil wir ein Versuchssystem der zweidimensionalen Herzzellennetze betrachtet haben. Selbstverständlich zwar, existiert unser Herz nicht als einfaches 2D Zellennetz und unsere Körper arbeiten als Kombination der organisierten, integrierten, dreidimensionalen Gewebe, der Organe und der Physiologie.

Unsere zukünftigen Forschungspläne sind, dieses als Rahmen zu verwenden, um oben in Skala die höheren Aufträge der dreidimensionalen Gewebe, der vollständigen Organphysiologie und des Körpers durchzulaufen.