基于非线性动力学的子宫收缩模型研究

This project studies the transition from quiescence to coherent and synchronized contractions observed in pregnant uterus which doesn't contain any pacemaker cell. Based on the anatomic information of uterine wall, especially the dramatic increase of gap junctions between cells during pregnancy, and the knowledge from nonlinear dynamics we explore different dynamic regimes in a system composed of excitable and passive cells. Applying the established uterine electrophysiological model developed recently, we incorporate the electrical coupling between cells into the model to explore the origin of uterine contraction. Then it is allowed to study the dependence of cell dynamics on ionic channel properties using stability as well as bifurcation analysis. We then extend our analysis to simple 2-Dimensional uterine model. Introducing proper order parameters, quantitative analysis of dynamical regimes induced by control parameters can be carried out, which allows a phase diagram in the parameter space as well as statistical description of their relation. This research project can potentially promote our understanding of life process as well as the development of new method for diagnosing and curing preterm birth. It can also serve as references to cardiac study and promote the development of phase transition theory.

本项目研究缺乏自起搏细胞的子宫如何从怀孕初期的静息态过渡到临产前的同步收缩态。依据子宫壁的解剖结构信息，特别是肌细胞与肌细胞间及肌细胞与被动态细胞间的间隙连接在怀孕过程中显著增加这一事实，应用非线性动力学的方法研究缺乏自起搏介质的异质系统的动力学行为对系统参量的依赖关系。在现有子宫肌细胞电生理活动模型的基础上，建立起细胞间电耦合作用模型，以便揭示子宫自发收缩行为的起源问题。以此模型为基础，应用稳定性分析、分岔理论等方法探索肌细胞在怀孕过程中的电生理特性变化对细胞动力学特征的影响。将此模型扩展，建立一个用二维网格描述的子宫模型，通过定义合适的序参量定量地研究子宫动力学行为随系统控制参量的变化关系，得到控制参量空间内的系统动力学特征，并给出两者关系的统计描述。本研究可以对人类认识生命过程及开发诊断与治疗早产的方法都有促进作用，并为心脏动力学研究提供一定的参考，还有望促进相变理论的发展。

子宫是人体中的一个特殊器官，只在某一特殊的时间段（怀孕过程）起作用。在这一过程中，子宫从怀孕初期的静息态逐渐发展成中期的局部收缩态，直至怀孕后期整个子宫出现周期性全局收缩。子宫过早地产生收缩行为是引起早产的直接原因，而早产是引起新生儿死亡的主要原因。为此，探究宫缩产生的机理是生命科学研究的热点之一。本项目基于Hodgkin-Huxley模型，通过收集子宫肌细胞的电生理实验数据，建立起了一个描述子宫肌细胞电生理活动的数学模型。基于此模型的一系列模拟电位钳实验基本重现了真实细胞中的实验现象，验证了模型的正确性。针对子宫壁中无明确自起搏细胞这一剖解学事实，提出子宫自发收缩起源于肌细胞与被动态细胞耦合作用的假说。基于得到的肌细胞模型，并结合实验测量数据，重现了子宫在整个怀孕过程中经历的静息-局部同步-全局同步的一系统动力学现象。针对生物器官中细胞耦合产生同步行为这一现象，利用描述生物节律控制神经元细胞SCN的Goodwin模型，研究了噪声信号在生物节律神经元细胞的周期性振荡与同步现象产生的作用。