Biologisen kehityksen laskennallisesta mallintamisesta

Teemu J. Häkkinen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan biologisen kaavoituksen ja kasvun matemaattista mallinnusta. Perimmäisenä tavoitteena on rakentaa realistisia mutta tehokkaita matemaattisia malleja kuvaamaan sekä biologisten rakenteiden muodostumista että laajemmin evolutiivisia prosesseja, jotka muovaavat noita rakenteita. Kehitykselliset mekanismit sekä ohjaavat että rajoittavat biologisten rakenteiden evoluutiota, ja matemaattiset mallit tarjoavat tehokkaan työkalun noiden rajoitusten ymmärtämiseen. Ensimmäisessä tutkimuksessa tarkastellaan nisäkäshampaiden evolutiivisten muutoksien kehitysmekanismeja. Hiiren hampaan kehitystä muunnellaan kokeellisesti, ja tuloksena pystytään tuottamaan tasaisia siirtymiä eri muotojen välillä. Kokeelliset tulokset pystytään toistamaan uskottavasti hampaan kehitystä kuvaavan tietokonemallin avulla. Tietokonemalli on toteutettu käyttäjäystävälliseen käyttöliittymään, tavoitteena helpottaa poikkitieteellistä yhteistyötä biologien ja matemaatikkojen välillä. Toisessa tutkimuksessa tarkastellaan hiiren kielen makunystyjen koon ja etäisyyden välistä yhteyttä. Kokeissa havaitaan, että muuntelemalla FGF-signalointia systeemissä nystyjen koko muuttuu keskimääräisen etäisyyden säilyessä vakiona. Tulosten perusteella ehdotetaan, että FGF-signaali vaikuttaa Wnt-signaalin toimintaan muuttamalla Wnt:n paikallista diffuusiota geenitranskription sijaan. Hypoteesille saadaan tukea tietokonemallista, jossa klassista reaktio-diffuusio (Turing) mallia laajennetaan korvaamalla diffuusiovakio epälineaarisella funktiolla. Kolmannessa tutkimuksessa esitetään hampaan kiilteen muodostumiselle matemaattinen malli, jossa kiilteen muodostumisen oletetaan olevan ravinnediffuusiorajoitteinen ilmiö. Tutkimuksessa osoitetaan, että malli kykenee toistamaan paksun kiilteen päällä esiintyvät rakennemuodot lähtien liikkeelle kiilteen alla olevista hampaan rakenteista. Neljännessä tutkimuksessa tarkastellaan Stokesin yhtälön soveltamista kudoksen kasvun mallintamiseen. Stokesin yhtälöstä käytetään laajempaa muotoa, jossa huomioidaan vaihteleva viskositeetti ja massalähteet. Systeemiin liitetään reaktio-diffuusio kaavoitusmekanismi, joka on laajennettu solujen erikoistumista kuvaavalla mekanismilla. Tutkimuksessa kehitetään tehokas numeerinen alusta ongelman ratkaisemiseksi, jonka tarkkuutta tutkitaan numeerisilla testeillä joiden ratkaisu tunnetaan. Mallin toimintaa esitellään kuvaamalla ideaalin kudoksen kasvua tilanteissa, joissa on vaihteleva pintajännite ja erilaisia viskositeettiprofiileja.
Julkaisun otsikon käännösBiologisen kehityksen laskennallisesta mallintamisesta
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Hannukainen, Antti, Vastuuprofessori
  • Jernvall, Jukka, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8725-2
Sähköinen ISBN978-952-60-8726-9
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • elementtimenetelmä
  • level set -menetelmä
  • Stokesin yhtälö
  • diffuusiorajoitteinen kasvu
  • vapaan reunan ongelma
  • kudoksen kasvu
  • laskennallinen mallintaminen
  • morfogeneesi

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Biologisen kehityksen laskennallisesta mallintamisesta'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä