Математическое моделирование патологического поведения в мультиплексных сетях, возникающего в результате дисфункции одиночных элементов, в приложении к задачам биомедицины

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-71-10048

НазваниеМатематическое моделирование патологического поведения в мультиплексных сетях, возникающего в результате дисфункции одиночных элементов, в приложении к задачам биомедицины

Руководитель Станкевич Наталия Владимировна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-112 - Обыкновенные дифференциальные уравнения и теория динамических систем

Ключевые слова мультиплексные сети, формализм Ходжкина-Хаксли, мультистабильность, ионные каналы, дисфункция межклеточной коммуникации, методы машинного обучения, динамический хаос, аттракторы Шильникова, гомоклинические аттракторы

Код ГРНТИ27.29.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Свойства сложных биологических систем в значительной степени определяются взаимодействием элементов, составляющих эти системы. Синхронное поведение сети нейронов позволяет, например, выполнять сложные коллективные задачи, такие как обучение, память или управлять циклами пробуждения-сна. С другой стороны, коллективное поведение гомогенных или гетерогенных типов клеток, включая их расположение и типы связи, определяет специфические функции тканей и органов. Например, экспериментально показано, что хорошо синхронизированная электрическая активность (берсты и спайки) первичных бета-клеток в поджелудочной железе вызывает секрецию инсулина, причем секреция инсулина увеличивается с ростом времени, которое клетки проводят в берстовом состоянии. Отклонение от характерного динамического поведения системы отражает ее патологическое состояние. Как такие глобальные отклонения в динамике стабилизируются при нарушении регулирования на уровне взаимодействующих элементов, в настоящее время является вопросом открытым и нерешенным. Этот вопрос становится еще более актуальным, если учесть, что экспериментально продемонстрировано, что в целом коллективное поведение клеток на уровне тканей, как правило, устойчиво к мутациям, происходящим в отдельных клетках, что позволяет им сохранять свою идентичность. Хорошо известно, что электрическая активность клеток (как нейронных, так и кардиомиоцитов, или бета-клеток) зависит от ряда различных типов ионных каналов, управляемых напряжением или лигандом, которые проницаемы для неорганических ионов, таких как натрий, калий, хлор и кальций. Появляется все больше доказательств того, что ионные каналы не только регулируют мембранный потенциал, ионный гомеостаз и электрическую передачу сигналов этих клеток, но также играют важную роль в пролиферации, миграции, апоптозе и дифференцировке клеток, а также в различных онкогенных процессах и старении. В рамках данного проекта планируется развитие математической теории и методов исследования возникновения патологического поведения в мультиплексных (сложных) сетях и применения разработанной теории для исследования моделей биофизики, включая нейроны, бета-клетки и др. клетки, функционирование которых базируется на формализме Ходжкина-Хаксли. Принципиально новым в данном проект является концепция появления патологического поведения в сети элементов, в результате возникновения патологии в одиночном элементе, которую достаточно трудно обнаружить в явном виде, поскольку одиночный элемент с патологией и без очень похожи по своим свойствам. Такая концепция открывает новые перспективы к вопросам онкогенеза.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Багаутдинова Э.Р., Станкевич Н.В. Бистабильность в модели нейрона с немонотонной характеристикой ионного канала Саратов: Изд-во «ТехноДекор», «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика»: тез. докл. XV Всерос. конф. молодых ученых. - Саратов: Изд-во «ТехноДекор», 2020. СС. 23-24. (год публикации - 2020)

2. Купцов П.В., Кузнецов С.П. Route to hyperbolic hyperchaos in a nonautonomous time-delay system Chaos, 30, 113113 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/5.0022645

3. Попова Е.С., Гонченко А.С., Станкевич Н.В. Complex dynamics of neuron maps Преприн (год публикации - 2021)

4. Купцов П.В., Купцова А.В., Станкевич Н.В. Artificial Neural Network as a Universal Model of Nonlinear Dynamical Systems Russian Journal of Nonlinear Dynamics, No.1, Vol. 17, pp. 5-21 (год публикации - 2021)
10.20537/nd210102

5. Бобровский А.А., Казаков А.О., Станкевич Н.В. Occurrence of a burst in-phase attractor in two coupled Hindmarsh-Rose systems Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, p.10-11 (год публикации - 2020)

6. Малых С., Баханова Ю., Казаков А., Пусулури К., Шильников А. Homoclinic chaos in the Rössler model Chaos, Vol. 30, Iss.11. P.113126 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0026188

7. Станкевич Н.В. Stabilization of steady state in Multiplex heterogeneous networks of neuron-like models with bistability between silent state and bursting attractor arxiv (год публикации - 2021)

8. Багаутдинова Э.Р., Станкевич Н.В. Анализ пространства параметров моделей панкреатических бета-клеток типа Ходжкина–Хаксли Саратов, Издательство Саратовского университета, Нелинейные дни в Саратове для молодых : сборник статей. – Саратов : Издательство Саратовского университета, 2021. С. 90-91. (год публикации - 2021)

9. Станкевич Н.В., Казаков А.О., Косеска А. Effect of intercellular communication defects on dynamics of network of gap-junction-coupled Hodgkin-Huxley-type of models with bistability Преприн (год публикации - 2021)

10. Попова Е.С., Гонченко А.С., Станкевич Н.В. Особенности хаотической динамики отображения Киалво «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика»: тез. докл. XVI Всерос. конф. молодых ученых. – Саратов: Изд-во “Техно-Декор”, 2021. – 228 с., с.151-152 (год публикации - 2021)

11. Станкевич Н.В. Multiplex heterogeneous networks of Hodgkin-Huxley-type of models with bistability between silent state and bursting attractor Conference proceedings 3rd International Conference Volga Neuroscience Meeting 2021 (Nizhny Novgorod, «Chayka» Resort Hotel August 24-27, 2021). Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod (UNN). P. 125, с. 84-85 (год публикации - 2021)

12. Станкевич Н.В., Неиттанмаки П. Topology of multiplex heterogeneous networks of Hodgkin-Huxley-type of models with bistability leading to stabilization stable equilibrium IEEE, 2021 5th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA). P. 194-197. (год публикации - 2021)
10.1109/DCNA53427.2021.9587233

13. Купцов П.В., Станкевич Н.В., Багаутдинова Э.Р. Discovering dynamical features of Hodgkin-Huxley-type model of physiological neuron using artificial neural network arXiv, https://arxiv.org/pdf/2203.14138.pdf (год публикации - 2022)

14. Бобровский А.А., Щеголева Н.А., Станкевич Н.В. Shilnikov attractors in a minimal network of coupled neuron models НИУ ВШЭ, Нижний Новгород, Book of Abstract. International Conference Topological Methods in Dynamics and Related Topics (год публикации - 2022)

15. Станкевич Н.В., Щеголева Н.А. Probability characteristics of the networks of the bistable Hodgkin-Huxley-type of models with noise Сборник тезисов The 7th International conference on Stochastic methods (ICSM-7), 2022 (год публикации - 2022)

16. Пантелеева П.Ю., Станкевич Н.В. Динамика системы с седло-фокусом при изменении направления импульсного воздействия Межвузовский сборник научных трудов "Дифференциальные уравнения и математическое моделирование", №4, с.62-65 (год публикации - 2022)

17. Купцов П.В. Моделирование нелинейной динамики при помощи искусственных нейронных сетей Динамические системы. Теория и приложения. Тезисы докладов международной конференции (Н. Новгород, 26-29 июня 2022 г.) –Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета., СС.47-48. (год публикации - 2022)

18. Станкевич Н.В., Гонченко А.С. Snap-back repeller and Shilnikov singular chaotic attractor in the simplest neuron model ICDEA 2022 27th International Conference on Difference Equations and Applications. Book of Abstracts., СС.153-154. (год публикации - 2022)

19. Станкевич Н.В., Купцов П.В. Методы машинного обучения для моделирования модельных нейронов КОНФЕРЕНЦИЯ «ИНФОРМАЦИОННЫЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ И УПРАВЛЕНИИ», ВКЛЮЧАЮЩАЯ МОЛОДЕЖНУЮ ШКОЛУ-СЕМИНАР ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, С. 51. (год публикации - 2022)

20. Станкевич Н.В., Багаутдинова Э.Р. The simplest neuron models with bistability occurring as a result of accounting new ion channels 2022 6th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA), PP.266-269 (год публикации - 2022)
10.1109/DCNA56428.2022.9923176

21. Купцов П.В., Станкевич Н.В., Багаутдинова Э.Р. Discovering dynamical features of Hodgkin–Huxley-type model of physiological neuron using artificial neural network Chaos, Solitons & Fractals, Vol.167, February 2023, P.113027 (год публикации - 2023)
10.1016/j.chaos.2022.113027

22. Багаутдинова Э.Р., Щеголева Н.А., Станкевич Н.В. Family of neuron models with bistability between bursting attractor and stable steady state Book of abstracts of the International Conference "Shilnikov Workshop 2022", с. 5-6 (год публикации - 2022)

23. Пантелеева П.Ю., Станкевич Н.В. Transformation of synchronization picture with a change of an external pulse action direction in three-dimensional Rossler system arXiv, 2303.11069v1 (год публикации - 2023)
10.48550/arXiv.2303.11069

24. Станкевич Н.В., Гонченко А.С., Попова Е.С., Гонченко С.В. Complex dynamics of the simplest neuron model: singular chaotic Shilnikov attractor as specific oscillatory neuron activity Chaos, Solitons & Fractals (год публикации - 2023)

25. Станкевич Н.В. Бистабильные модели типа Ходжкина-Хаксли как элемент сетей с патологическим поведением Вычислительные технологии и прикладная математика : Материалы II Международного семинара. – Благовещенск : Изд.-во Амурского гос. университета, 2023. – 240 с., с. 191-192 (год публикации - 2023)
10.22250/9785934933921

26. Купцов П.В., Станкевич Н.В. Моделирование динамки нейронных осцилляторов типа Ходжкина-Хаксли при помощи нейронной сети Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика., №1, т.32, СС.72-95. (год публикации - 2024)
10.18500/0869-6632-003079

27. Пантелеева П.Ю., Станкевич Н.В. Numerical study of Roessler system with periodic time-dependent perturbations Сборник материалов международной конференции “XXXIII Крымская Осенняя Математическая Школа-симпозиум по спектральным и эволюционным задачам” (КРОМШ-2022). — Симферополь : ИТ «АРИАЛ»., С.22. (год публикации - 2022)

Публикации

3. Попова Е.С., Гонченко А.С., Станкевич Н.В. Complex dynamics of neuron maps Преприн (год публикации - 2021)

Публикации

3. Попова Е.С., Гонченко А.С., Станкевич Н.В. Complex dynamics of neuron maps Преприн (год публикации - 2021)