VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Биофизика сложных многокомпонентных систем. Математическое моделирование. Биоинформатика

Применение модели артериальной системы мозга крысы для оценки интегрального распределения концентраций кислорода и глюкозы

В.С. Копылова1*, С.Е. Бороновский1, Я.Р. Нарциссов1,2

1.НИИ цитохимии и молекулярной фармакологии, Москва, Россия;
2.Группа биомедицинских исследований, БиДиФарма ГмбХ, Зик, Германия;

* kopilova.veronika(at)yandex.ru

Непрерывное обеспечение головного мозга кислородом имеет фундаментальное значение для нормального функционирования организма. Снижение концентрации кислорода в тканях мозга ниже физиологического уровня в течение даже непродолжительного времени может приводить к катастрофическим последствиям. Наряду с кислородом глюкоза является еще одним жизненно важным метаболитом, поддерживающим работу нейронов. Следует отметить, что при измерении концентрации кислорода и других метаболитов в тканях мозга in vivo исследователи сталкиваются с целым рядом проблем, затрудняющих получение результатов. Артериальная сеть головного мозга является сложной многоуровневой системой, состоящей из огромного количества разнокалиберных сосудов, обеспечивающих кровотоком все области мозга. В связи с этим применение методов математического моделирования как для оценки транспорта метаболитов в полном артериальном дереве, так и для расчета концентрации кислорода и других веществ во всем объеме мозга требует серьезных вычислительных мощностей. В данной работе оценка распределения кислорода и глюкозы в тканях проводилась на основе модели артериальной системы мозга крысы путем сегментации объема мозга на локальные области и дальнейшего расчета концентрации в каждом из единичных элементов разбиения. Расчет концентрации метаболитов вблизи соответствующих сосудов осуществлялся по методу диффузионного поля сферических источников, а валидация проводилась методом конечных элементов. С использованием построенной модели артериальной системы мозга крысы с оптимальными значениями параметров ветвления были получены кривые распределения концентрации кислорода и глюкозы во всем мозге, соответствующие средние значения для указанных веществ, в свою очередь, согласуются с экспериментальными данными. Особенность предложенного в работе подхода состоит в том, что при рассмотрении больших анатомических структур мозга и всего органа в целом он позволяет количественно оценивать плотности распределения концентрации метаболитов и, соответственно, такие статистические характеристики, как, например, средние значения, учитывая архитектуру артериальной сети. При этом описанный механизм разбиения объема мозга на локальные области позволяет существенно снизить вычислительную сложность как процесса сегментации, так и оценки концентрации в единичном сегменте.

Application of the rat brain arterial system model to estimate the oxygen and glucose distributions

V.S. Kopylova1*, S.E. Boronovskiy1, Y.R. Nartsissov1,2

1.Institute of Cytochemistry and Molecular Pharmacology, Moscow, Russia;
2.Biomedical Research Group, BiDiPharma GmbH, Siek, Germany;

* kopilova.veronika(at)yandex.ru

The permanent supply of oxygen to the brain is fundamental to the normal body functioning. A decrease in the brain oxygen concentration below the physiological level for even a short time can lead to catastrophic consequences. Along with oxygen glucose is another vital metabolite that keeps neurons functioning. It should be noted that when measuring in brain tissues in vivo the concentration of oxygen and other metabolites, researchers face a number of problems that make it difficult to obtain results. The brain arterial network is a complex system consisting of a huge number of vessels of various radii that provide blood flow for all areas of the brain. Therein the use of mathematical modeling methods both for assessing the metabolite flow in the complete arterial tree and for calculating the concentration of oxygen and other compounds in the entire brain volume requires serious computing capacity. In this work the assessment of the oxygen and glucose distributions in tissues was carried out on the basis of a rat brain arterial system model via brain volume segmentation into local areas followed by calculating the concentration in each segment. Withal the concentration of metabolites near the corresponding vessels was calculated using the SSDF with subsequent validation by the finite element method. Using the constructed model of the rat brain arterial system with optimal values of the branching parameters distributions of oxygen and glucose concentration in the entire brain volume were obtained. The corresponding average concentrations for these compounds in turn are consistent with the experimental data. The main feature of the approach proposed in the work is the ability to quantify the distribution density of the concentration of metabolites when considering large anatomical structures of the brain as well as the entire organ as a whole. Accordingly, it allows one to obtain statistical characteristics as, for example, average values taking into account the architecture of the arterial network. At the same time, the described mechanism of brain volume segmentation the into local areas can significantly reduce the computational complexity of both the segmentation process and the concentration assessment in a single segment.


Докладчик: Копылова В.С.
480
2023-01-13

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists