Вычислительная реконструкция островков поджелудочной железы как инструмент структурного и функционального анализа

Этот протокол важен, поскольку он описывает вычислительную нагрузку для реконструкции островковых архитектур, анализа их морфологических свойств и свойств связности, а также для оценки их функциональных последствий с помощью вычислительного моделирования. Основным преимуществом является то, что он обеспечивает способ реализации высокопроизводительных вычислительных алгоритмов в дополнение к теоретической и экспериментальной работе в области исследования островков. Эта методология может быть особенно полезна для сравнения морфологических и связующих свойств здоровых и измененных островков или для сравнения островковых архитектур различных видов животных.

Для начала убедитесь, что компиляторы GCC и NVCC установлены. Откройте терминал, выполнив команды, и следуйте инструкциям, приведенным в тексте, если какая-либо из этих команд не распознается системой. Откройте терминал и перейдите в папку IsletLab.

Создайте новую среду, выполнив команду в терминале. Активируйте новую среду, выполнив команду. Запустите приложение IsletLab, выполнив команду в терминале.

Чтобы подготовить входные данные, организуйте входные островковые данные в файле с четырьмя столбцами, в котором первый столбец является типом ячейки, а второй, третий и четвертый столбцы — координатами X, Y и Z входных ячеек соответственно, гарантируя, что входной файл не содержит заголовков столбцов. Нажмите кнопку Загрузить начальный островок и выберите файл, содержащий входные данные, чтобы создать начальный островок, трехмерное представление и соответствующую статистику. Чтобы настроить процесс реконструкции, нажмите кнопку Параметры реконструкции и измените параметры оптимизации.

Нажмите кнопку ОК, чтобы сохранить значения параметров. Нажмите кнопку Восстановить островок, чтобы открыть окно Журнал реконструкции. Нажмите кнопку Выполнить, чтобы начать процесс восстановления.

Оцените результаты процесса реконструкции, проанализировав статистику оптимизации, показанную на вкладке «Конечный островок» панели статистики, сосредоточив внимание на максимизации процента экспериментальных ячеек, включенных в реконструированные островки, или, эквивалентно, на минимизации количества перекрытий. Если процент экспериментальной статистики считается низким в соответствии с целями пользователя, щелкните меню Файл и выберите Перезагрузка. Нажмите кнопку Загрузить начальный островок и выберите файл, содержащий входные данные, чтобы создать начальный островок.

Затем увеличьте начальную температуру, коэффициент итераций и коэффициент приемки в настройках реконструкции и повторите описанный ранее процесс реконструкции островка до получения удовлетворительных результатов. Щелкните Параметры реконструкции и выберите Допуск контакта, чтобы определить допуск контакта между ячейками. Нажмите кнопку ОК, чтобы сохранить значения параметров.

Нажмите кнопку Контакты между ячейками, чтобы идентифицировать ячейки, находящиеся в тесном контакте. Нажмите кнопку Построить сеть, чтобы создать островковую сеть и вычислить связанную сетевую матрицу. Перейдите на вкладку Моделирование панели конфигурации интерфейса.

Выберите нужный режим внутренней частоты, Постоянный или Случайный. Нажмите кнопку Настроить внутреннюю частоту, чтобы определить частоту генератора в герцах. Выберите нужный режим начальной фазы, Постоянный или Случайный.

Нажмите кнопку Настроить взаимодействия, чтобы определить параметры взаимодействия между ячейками в окне Сила взаимодействия. Настройте моделирование, определив общее время моделирования, шаг времени и коэффициент экономии. Определите количество блоков, потоков и возможностей вычислительной платформы, доступных для выполнения моделирования.

Нажмите кнопку Запустить симуляцию, чтобы открыть окно Журнала моделирования. Нажмите кнопку Выполнить, чтобы начать моделирование и следить за процессом до тех пор, пока не появится легенда Закройте окно, чтобы продолжить. Затем закройте окно Журнала моделирования, чтобы посмотреть результаты моделирования.

Щелкните Файл и выберите Экспорт проекта в строке меню. Выберите каталог, в котором будет сохранен файл проекта, и нажмите кнопку OK. Получена реконструкция островков с использованием субоптимальных наборов параметров в условиях реконструкции, включающих 86,6% исходных клеток.

Увеличение начальной температуры, итерации и коэффициентов принятия привело к более высокому проценту начальных клеток на 93,37 и 99,15% в реконструированных островках. Получены графики конвергенции процесса реконструкции, демонстрирующие эволюцию перекрывающихся клеток в зависимости от температуры. Идентификация межклеточных контактов из реконструированных островковых архитектур зависит от значения параметра допуска контакта.

Было выявлено только 290 межклеточных контактов на величину одного микрометра, в то время как для двух микрометров общий выявленный контекст увеличился до 636 и 731 соответственно. Получен сетевой график, обеспечивающий визуальное представление межклеточных контактов, соединенных между собой. Результаты моделирования показали, что альфа- и бета-клетки колеблются полностью вне фазы, в то время как дельта-клетки колеблются вне фазы с альфа- и бета-клетками.

В колебательном поведении островка преобладали колебания альфа-клеток с незначительным вкладом другой клеточной популяции. Получен график индекса синхронизации островков, который обеспечивает измерение фазовой когерентности колебаний между островковыми клетками и изменения синхронности между островковыми клетками с течением времени. Все производные метрики и функциональное моделирование зависят от процесса реконструкции, поэтому важно достичь самого высокого процента начальных клеток в реконструированных островках.

Реконструированные островки, полученные в результате этой процедуры, могут быть в дальнейшем использованы для разработки более реалистичных вычислительных моделей островков поджелудочной железы путем включения подробного биофизического описания островковых клеток.