[發明專利]基于反應擴散模型的神經元樹突棘發育模式建立方法

有效

• 申請號: 202011573380.X
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112582069B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 趙新;賈祎晴;趙啟立;孫明竹;郭杉
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50
• 代理公司: 天津睿勤專利代理事務所(普通合伙) 12225
• 代理人: 孟福成

本發明提出了一種基于反應擴散模型的神經元樹突棘發育模式建立方法，該方法以大鼠大腦海馬區神經元樹突棘形態制定樹突棘形狀分類標準，并利用反應擴散模型模擬單一樹突棘在不同條件下的生長過程，使用形狀分類標準對仿真結果進行分類，進一步利用反應擴散模型模擬一段樹突在不同條件下生長不同密度的樹突棘的過程，繼而得到不同模式的神經元樹突棘。與現有的研究方法相比，不僅有效避免了大量的動物實驗；同時本發明首次將反應擴散模型應用到神經元樹突棘發育模式的建立過程中，為后續研究樹突棘模式異常引發疾病的發病機制奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及神經元樹突棘生物模式領域，具體涉及一種基于反應擴散模型的神經元樹突棘發育模式建立方法及其在疾病機制分析中的應用。

背景技術

樹突棘是神經元樹突上的微小突起，廣泛存在于高等動物的樹突中，在大多數興奮性軸樹突突觸的形成中起著重要作用。通常樹突棘分為四種模式：細長型、柱型、蘑菇型和分枝型。其中，細長型樹突棘具有較高的可塑性，與學習有關；蘑菇型樹突棘則表現出弱可塑性，與記憶功能有關。樹突棘的模式異常與多種神經系統疾病有關。例如，脆性X綜合征模型小鼠的體感皮層中存在過多的細長型樹突棘。膠質瘤模型小鼠的神經元樹突中樹突棘密度明顯下降。因此，探討樹突棘的形態和密度因素，對于了解這些疾病的發病機制，進而尋找治療方法具有重要意義。

目前，樹突棘模式研究的主要途徑是：通過腦切片對比實驗組動物的大腦皮層和對照組動物的大腦皮層。這類研究主要存在以下缺陷：(1)需要進行大量的解剖動物實驗；(2)一次只提出一個影響樹突棘模式的因素，而樹突棘的形成是一個動態過程，涉及多種化學反應，受多種因素的調控。

因此，為了系統地研究與樹突棘模式相關的各種神經系統疾病的形成機制，需要引入數值仿真的方法對不同模式樹突棘的生長過程進行模擬。

當前用于研究樹突棘模式的數值仿真方法主要有兩類：(1)應用布朗運動模型來模擬樹突棘的體積，但是布朗運動模型描述了一種隨機現象，而樹突棘的模式形成是一個受基因和環境調節的過程，而不是一個隨機的過程；(2)研究細胞骨架產生的力和細胞膜形變之間的關系，但是這種方法缺乏對細胞骨架產生不同力的原因的解釋。而且這些方法在進行數值仿真的過程中，通過人工識別的方式區分不同模式的樹突棘，不可避免的引入主觀誤差。所以，開發一種基于反應擴散模型的神經元樹突棘發育模式建立方法，并基于不同模式樹突棘的形態差異制定形態學分類指標，對于研究樹突棘模式異常引發疾病的發病機制十分重要。

發明內容

基于現有數學仿真方法模擬神經元樹突棘模式存在的缺陷，本發明提出了一種神經元樹突棘發育模式建立方法，該方法以大鼠大腦海馬區神經元樹突棘形態制定樹突棘形狀分類標準，并利用反應擴散模型模擬單一樹突棘在不同條件下的生長過程，使用形狀分類標準對仿真結果進行分類，進一步利用反應擴散模型模擬一段樹突在不同條件下生長不同密度的樹突棘的過程，繼而得到不同模式的神經元樹突棘。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種基于反應擴散模型的神經元樹突棘發育模式建立方法，包括以下步驟：

S1，識別大鼠大腦海馬區神經元顯微圖像中蘑菇型、柱型、細長型、分枝型四種模式的樹突棘，并測量蘑菇型、柱型、細長型三種模式中樹突棘的頭部寬度w_head、頸部寬度w_neck、高度h；

S2，根據樹突棘頭部寬度w_head、頸部寬度w_neck及高度h，計算步驟S1所述三種模式中樹突棘的相對平均寬度RAW和相對收縮寬度RCW；

S3，建立不同模式中樹突棘的分類標準；

S4，建立反應擴散模型，設置仿真初始條件，通過設置模型可變參數對單個樹突棘的生長過程進行仿真，將步驟S3所述的分類標準應用于反應擴散模型中，對仿真結果中的樹突棘形狀進行分類；