Computerrekonstruktion von Pankreasinseln als Werkzeug für die Struktur- und Funktionsanalyse

Dieses Protokoll ist von Bedeutung, da es eine rechnerische Arbeitslast beschreibt, um Inselarchitekturen zu rekonstruieren, ihre morphologischen und Konnektivitätseigenschaften zu analysieren und ihre funktionalen Implikationen durch Computersimulationen zu bewerten. Der Hauptvorteil besteht darin, dass es eine Möglichkeit bietet, Hochleistungsrechenalgorithmen zu implementieren, um die theoretischen und experimentellen Arbeiten auf dem Gebiet der Inselforschung zu ergänzen. Diese Methodik kann besonders nützlich sein, um die morphologischen und Konnektivitätseigenschaften gesunder und veränderter Inseln zu vergleichen oder Inselarchitekturen verschiedener Tierarten zu vergleichen.

Stellen Sie zunächst sicher, dass die GCC- und NVCC-Compiler installiert sind. Öffnen Sie ein Terminal, indem Sie die Befehle ausführen, und befolgen Sie die Anweisungen im Text, wenn einer dieser Befehle vom System nicht erkannt wird. Öffnen Sie ein Terminal und gehen Sie zum Ordner IsletLab.

Erstellen Sie eine neue Umgebung, indem Sie den Befehl im Terminal ausführen. Aktivieren Sie die neue Umgebung, indem Sie den Befehl ausführen. Starten Sie die IsletLab-Anwendung, indem Sie den Befehl im Terminal ausführen.

Um die Eingabedaten vorzubereiten, organisieren Sie die Eingabeinseldaten in einer vierspaltigen Datei, in der die erste Spalte der Zellentyp und die zweite, dritte und vierte Spalte die X-, Y- bzw. Z-Koordinaten der Eingabezellen sind, um sicherzustellen, dass die Eingabedatei keine Spaltenüberschriften enthält. Klicken Sie auf die Schaltfläche Erste Insel laden und wählen Sie die Datei mit den Eingabedaten aus, um eine anfängliche Insel, die dreidimensionale Darstellung und die entsprechenden Statistiken zu generieren. Um den Rekonstruktionsprozess zu konfigurieren, klicken Sie auf die Schaltfläche Rekonstruktionseinstellungen und ändern Sie die Optimierungsparameter.

Klicken Sie auf die Schaltfläche OK, um die Parameterwerte zu speichern. Klicken Sie auf die Schaltfläche Insel rekonstruieren, um das Fenster Rekonstruktionsprotokoll zu öffnen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen, um den Rekonstruktionsprozess zu starten.

Bewerten Sie die Ergebnisse des Rekonstruktionsprozesses, indem Sie die Optimierungsstatistiken analysieren, die auf der Registerkarte Final Islet des Statistikfelds angezeigt werden, indem Sie sich auf die Maximierung des Prozentsatzes der experimentellen Zellen konzentrieren, die in den rekonstruierten Inseln enthalten sind, oder entsprechend auf die Minimierung der Anzahl der Überlappungen. Wenn der Prozentsatz der experimentellen Statistiken entsprechend den Benutzerzielen als niedrig angesehen wird, klicken Sie auf das Menü Datei und wählen Sie Neu starten. Klicken Sie auf die Schaltfläche Erste Insel laden und wählen Sie die Datei aus, die Eingabedaten enthält, um eine erste Insel zu generieren.

Erhöhen Sie dann die Anfangstemperatur, den Iterationsfaktor und den Akzeptanzfaktor in den Rekonstruktionseinstellungen, und wiederholen Sie den zuvor beschriebenen Rekonstruktionsprozess der Insel, bis zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Klicken Sie auf die Rekonstruktionseinstellungen und wählen Sie Kontakttoleranz, um die Kontakttoleranz von Zelle zu Zelle zu definieren. Klicken Sie auf OK, um die Parameterwerte zu speichern.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Zell-zu-Zell-Kontakte, um die Zellen in engem Kontakt zu identifizieren. Klicken Sie auf die Schaltfläche Netzwerk erstellen, um das Inselnetzwerk zu generieren und die zugehörige Netzwerkmatrix zu berechnen. Wechseln Sie zur Registerkarte Simulation des Konfigurationsfelds der Schnittstelle.

Wählen Sie den gewünschten Modus der intrinsischen Frequenz, konstant oder zufällig. Klicken Sie auf die Schaltfläche Eigenfrequenz konfigurieren, um die Frequenz des Oszillators in Hertz zu definieren. Wählen Sie den gewünschten Modus der Anfangsphase, Konstant oder Zufällig.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Interaktionen konfigurieren, um die Interaktionsparameter von Zelle zu Zelle im Fenster Interaktionsstärke zu definieren. Konfigurieren Sie die Simulation, indem Sie die Gesamtsimulationszeit, den Zeitschritt und den Sparfaktor definieren. Definieren Sie die Anzahl der Blöcke, Threads und Rechenplattformfunktionen, die für die Durchführung der Simulation verfügbar sind.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation ausführen, um das Fenster Simulationsprotokoll zu öffnen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen, um die Simulation zu starten und den Prozess zu überwachen, bis die Legende Bitte schließen Sie das Fenster, um fortzufahren, angezeigt wird. Schließen Sie dann das Fenster Simulationsprotokoll, um die Simulationsergebnisse zu beobachten.

Klicken Sie auf Datei und wählen Sie in der Menüleiste das Exportprojekt aus. Wählen Sie das Verzeichnis aus, in dem die Projektdatei gespeichert werden soll, und klicken Sie auf die Schaltfläche OK. Es wurde eine Inselrekonstruktion unter Verwendung suboptimaler Parametersätze in den Rekonstruktionseinstellungen erhalten, einschließlich 86,6% der Anfangszellen.

Die Erhöhung der Anfangstemperatur, der Iteration und der Akzeptanzfaktoren führte zu einem höheren Prozentsatz der Anfangszellen als 93,37 und 99,15% in den rekonstruierten Inseln. Es wurden die Konvergenzdiagramme des Rekonstruktionsprozesses erhalten, die die Entwicklung überlappender Zellen als Funktion der Temperatur demonstrieren. Die Identifizierung von Zell-zu-Zell-Kontakten aus den rekonstruierten Inselarchitekturen hängt vom Wert des Kontakttoleranzparameters ab.

Für den Wert von einem Mikrometer wurden nur 290 Zell-zu-Zell-Kontakte identifiziert, während für zwei Mikrometer der Gesamtkontext auf 636 bzw. 731 anstieg. Es wurde das Netzwerkdiagramm erhalten, das eine visuelle Darstellung der miteinander verbundenen Zell-zu-Zell-Kontakte bietet. Simulationsergebnisse zeigten, dass Alpha- und Betazellen vollständig phasenverschoben oszillieren, während Deltazellen mit Alpha- und Betazellen in der Phase oszillieren.

Das oszillierende Verhalten der Insel wurde von den Schwingungen der Alphazellen mit einem geringen Beitrag der anderen Zellpopulation dominiert. Es wurde das Inselsynchronisationsindexdiagramm erhalten, das das Maß für die Phasenkohärenz der Schwingungen zwischen den Inselzellen und die Variation der Synchronizität zwischen Inselzellen im Laufe der Zeit liefert. Alle abgeleiteten Metriken und die funktionalen Simulationen hängen vom Rekonstruktionsprozess ab, daher ist es wichtig, den höchsten Prozentsatz an Anfangszellen in den rekonstruierten Inseln zu erreichen.

Rekonstruierte Inseln, die aus diesem Verfahren gewonnen wurden, können weiter verwendet werden, um realistischere Berechnungsmodelle von Pankreasinseln zu entwickeln, indem eine detaillierte biophysikalische Beschreibung von Inselzellen einbezogen wird.