Obliczeniowa rekonstrukcja wysp trzustkowych jako narzędzie do analizy strukturalnej i funkcjonalnej

Protokół ten jest istotny, ponieważ opisuje obciążenie obliczeniowe mające na celu rekonstrukcję architektur wysepek, analizę ich właściwości morfologicznych i łączności oraz ocenę ich implikacji funkcjonalnych za pomocą symulacji obliczeniowych. Główną zaletą jest to, że umożliwia implementację algorytmów obliczeniowych o wysokiej wydajności, które uzupełniają prace teoretyczne i eksperymentalne w dziedzinie badań wysepek. Metodologia ta może być szczególnie przydatna do porównywania właściwości morfologicznych i łączności zdrowych i zmienionych wysepek lub do porównywania architektur wysepek różnych gatunków zwierząt.

Aby rozpocząć, sprawdź, czy kompilatory GCC i NVCC są zainstalowane. Otwórz terminal, wykonując polecenia i postępuj zgodnie z instrukcjami podanymi w tekście, jeśli którekolwiek z tych poleceń nie jest rozpoznawane przez system. Otwórz terminal i przejdź do folderu IsletLab.

Utwórz nowe środowisko, wykonując polecenie w terminalu. Aktywuj nowe środowisko, wykonując polecenie. Uruchom aplikację IsletLab, wykonując polecenie w terminalu.

Aby przygotować dane wejściowe, należy uporządkować wejściowe dane wysepki w czterokolumnowym pliku, w którym pierwsza kolumna jest typem komórki, a druga, trzecia i czwarta kolumna są odpowiednio współrzędnymi X, Y i Z komórek wejściowych, upewniając się, że plik wejściowy nie zawiera nagłówków kolumn. Kliknij przycisk Załaduj początkową wysepkę i wybierz plik zawierający dane wejściowe, aby wygenerować początkową wysepkę, trójwymiarową reprezentację i odpowiednie statystyki. Aby skonfigurować proces rekonstrukcji, kliknij przycisk Ustawienia rekonstrukcji i zmodyfikuj parametry optymalizacji.

Kliknij przycisk OK, aby zapisać wartości parametrów. Kliknij przycisk Rekonstruuj wysepkę, aby otworzyć okno Dziennik rekonstrukcji. Kliknij przycisk Uruchom, aby rozpocząć proces rekonstrukcji.

Oceń wyniki procesu rekonstrukcji, analizując statystyki optymalizacyjne pokazane w zakładce Ostatnia wysepka w panelu statystyk, koncentrując się na maksymalizacji procentu komórek eksperymentalnych zawartych w zrekonstruowanych wysepkach lub, równoważnie, na minimalizacji liczby nakładania się. Jeśli wartość procentowa statystyk eksperymentalnych jest uważana za niską zgodnie z celami użytkownika, kliknij menu Plik i wybierz opcję Uruchom ponownie. Kliknij przycisk Załaduj początkową wysepkę i wybierz plik zawierający dane wejściowe, aby wygenerować początkową wysepkę.

Następnie zwiększ temperaturę początkową, współczynnik iteracji i współczynnik akceptacji w ustawieniach rekonstrukcji i powtórz opisany wcześniej proces rekonstrukcji wysepki, aż do uzyskania zadowalających wyników. Kliknij Ustawienia rekonstrukcji i wybierz opcję Tolerancja kontaktu, aby zdefiniować tolerancję kontaktu między komórkami. Kliknij przycisk OK, aby zapisać wartości parametrów.

Kliknij przycisk Kontakty komórka-komórka, aby zidentyfikować komórki w bliskim kontakcie. Kliknij przycisk Zbuduj sieć, aby wygenerować sieć wysp i obliczyć skojarzoną macierz sieci. Przejdź do zakładki Symulacja w panelu konfiguracyjnym interfejsu.

Wybierz żądany tryb częstotliwości wewnętrznej, stały lub losowy. Kliknij przycisk Konfiguruj częstotliwość wewnętrzną, aby zdefiniować częstotliwość oscylatora w hercach. Wybierz żądany tryb fazy początkowej, stały lub losowy.

Kliknij przycisk Konfiguruj interakcje, aby zdefiniować parametry interakcji międzykomórkowej w oknie Siła interakcji. Skonfiguruj symulację, definiując całkowity czas symulacji, krok czasowy i współczynnik zapisu. Zdefiniuj liczbę bloków, wątków i możliwości platformy obliczeniowej dostępnych do przeprowadzenia symulacji.

Kliknij przycisk Uruchom symulację, aby otworzyć okno Dziennik symulacji. Kliknij przycisk Uruchom, aby rozpocząć symulację i monitorować proces do momentu wyświetlenia legendy Zamknij okno, aby kontynuować. Następnie zamknij okno Dziennik symulacji, aby obserwować wyniki symulacji.

Kliknij Plik i wybierz opcję Eksportuj projekt na pasku menu. Wybierz katalog, w którym zostanie zapisany plik projektu i kliknij przycisk OK. Uzyskano rekonstrukcję wysp trzustkowych przy użyciu nieoptymalnych zestawów parametrów w warunkach rekonstrukcji, w tym 86,6% początkowych komórek.

Zwiększenie początkowej temperatury, iteracji i współczynników akceptacji spowodowało wyższy odsetek początkowych komórek wynoszący 93,37 i 99,15% w zrekonstruowanych wysepkach. Uzyskano wykresy konwergencji procesu rekonstrukcji, pokazujące ewolucję nakładających się na siebie komórek w funkcji temperatury. Identyfikacja kontaktów międzykomórkowych na podstawie zrekonstruowanych architektur wysepek zależy od wartości parametru tolerancji kontaktu.

Zidentyfikowano tylko 290 kontaktów międzykomórkowych dla wartości jednego mikrometra, podczas gdy dla dwóch mikrometrów całkowity zidentyfikowany kontekst wzrósł odpowiednio do 636 i 731. Uzyskano wykres sieciowy, który zapewnia wizualną reprezentację kontaktów między komórkami, które są ze sobą połączone. Wyniki symulacji wykazały, że komórki alfa i beta oscylują całkowicie poza fazą, podczas gdy komórki delta oscylują poza fazą z komórkami alfa i beta.

Oscylacyjne zachowanie wysepki było zdominowane przez oscylacje komórek alfa z niewielkim udziałem drugiej populacji komórek. Uzyskano wykres indeksu synchronizacji wysp trzustkowych, który stanowi miarę spójności fazowej oscylacji między komórkami wysp trzustkowych oraz zmienności synchronizacji między komórkami wysp trzustkowych w czasie. Wszystkie uzyskane metryki i symulacje funkcjonalne zależą od procesu rekonstrukcji, dlatego kluczowe jest osiągnięcie jak najwyższego odsetka początkowych komórek w zrekonstruowanych wysepkach.

Zrekonstruowane wyspy trzustkowe uzyskane w wyniku tej procedury mogą być dalej wykorzystywane do opracowania bardziej realistycznych modeli obliczeniowych wysp trzustkowych poprzez dołączenie szczegółowego opisu biofizycznego komórek wysp trzustkowych.