Mathematical Modelling in Neuroscience

神经科学中的数学建模

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2022-04483
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 1.53万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

My research work consists in developing mathematical models that help better understand the normal and pathological behiavor of neurons. I  work in collaboration with several experimental researchers so that my models have tangible applications in neuroscience. My research program is divided into the following axes. 1) Develop models of ordinary differential equations (ODEs) to describe ionic concentration fluctuations and volume changes in neural cells. With my team and collaborators, we have developed mathematical models that describe the fluctuations of ionic concentrations, especially chloride,  in the context of the study of neuropathic pain. We are currently working to improve our models so that they also describe water fluxes across cell membranes and volume changes. Volume fluctuations play a crucial but often overlooked role in cellular signaling.  They are little investigated partly due to difficulties in performing accurate experimental measurements.  We will use digital holography microscopy measurements from our collaborators to validate and calibrate our mathematical models.   2) Modeling the tetrapartite synapse. To fully understand synaptic signaling, it is essential to understand the four parts of the synapse that is 1) the presynaptic button, 2) the postsynaptic receptors, 3) the extracellular space and 4) the glial cells.  With the PhD candidate Xiaoting Li and my collaborator Antoine Godin, we have developed a mathematical model to study the impact of nanocolumns which are nanoscopic structures that promote the alignment of postsynaptic receptors with the opening sites of presynaptic vesicles. From a mathematical point of view, this model uses a Monte Carlo approach, discrete Markov chains and a description of the synaptic electrical potential using a finite volume approach. In the continuation of this project, we will develop models that take into account the extracellular space surrounding the synapse, the distribution of fixed electrical charges in this space and the impact of glial cells on neurotransmitters diffusion. 3) Application of the finite element method to study the node of Ranvier. We have developed models that use the Poisson Nernst-Planck system of partial differential equations to calculate the electric field distribution and the electrodiffusion of ionic species in neural structure. These models allow, among other things, to study the impact of a myelin loss on the electrical signaling as characterized by the shape of an action potential. We will take advantage of a collaboration with Antoine Godin to obtain experimental measurements on the fluctuations of ionic concentrations during action potentials. In these three projects, the determination of parameters in non-linear dynamical models is an important issue. The PhD student Pierre-Louis Gagno is developing new mathematical methods to better solve this problem.
我的研究工作包括开发数学模型,帮助更好地理解神经元的正常和病理行为。我与几位实验研究人员合作,使我的模型在神经科学中有切实的应用。我的研究计划分为以下几个方面。1)开发常微分方程(ODE)模型来描述神经细胞中的离子浓度波动和体积变化。与我的团队和合作者一起,我们开发了数学模型,在神经性疼痛研究的背景下描述了离子浓度(尤其是氯化物)的波动。我们目前正在努力改进我们的模型,使它们也能描述穿过细胞膜的水通量和体积变化。体积波动在细胞信号传导中起着至关重要但经常被忽视的作用。由于难以进行精确的实验测量,它们很少被研究。我们将使用合作者的数字全息显微镜测量来验证和校准我们的数学模型。 2)四分突触的建模。为了充分理解突触信号传导,必须了解突触的四个部分,即1)突触前按钮,2)突触后受体,3)细胞外空间和4)胶质细胞。与博士候选人Xiaoting Li和我的合作者Antoine Godin一起,我们已经开发了一个数学模型来研究纳米柱的影响,纳米柱是纳米级结构,其促进突触后受体与突触后受体的排列。突触前囊泡的开口部位。从数学的角度来看,该模型使用蒙特卡罗方法,离散马尔可夫链和使用有限体积方法的突触电位的描述。在这个项目的继续,我们将开发模型,考虑到突触周围的细胞外空间,在这个空间中的固定电荷的分布和神经胶质细胞对神经递质扩散的影响。 3)应用有限元法研究朗维尔节点。我们已经开发出的模型,使用泊松能斯特-普朗克系统的偏微分方程来计算电场分布和神经结构中的离子物种的电扩散。这些模型允许,除其他事项外,研究髓鞘损失对电信号的影响,其特征在于动作电位的形状。我们将利用与安托万戈丁的合作,以获得在动作电位的离子浓度波动的实验测量。 在这三个项目中,非线性动力学模型参数的确定是一个重要问题。博士生Pierre-Louis Gagno正在开发新的数学方法来更好地解决这个问题。

项目成果

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Doyon, Nicolas其他文献

Non-invasive neuromodulation for tinnitus: A meta-analysis and modeling studies
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  • 期刊:
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  • 通讯作者:
    Desrosiers, Patrick

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Utilisation de la modélisation mathématique pour comprendre l'étendue et l'impact des fluctuations de concentration ioniques dans les neurones et réseaux de neurones.
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  • 批准号:
    RGPIN-2015-05714
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 1.53万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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  • 批准号:
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  • 财政年份:
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  • 资助金额:
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  • 批准号:
    RGPIN-2015-05714
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
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  • 批准号:
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  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    Engage Grants Program
Déterminer la structure des synapses du système nerveux central à l'aide de l'analyse de bruit
中枢神经系统突触结构的确定和杂音分析的辅助
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    343992-2007
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Improving modelling of compact binary evolution.
  • 批准号:
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    青年科学基金项目

相似海外基金

Methodological Research and Statisitical Modelling in Neuroscience
神经科学的方法论研究和统计模型
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04376
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 1.53万
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    RGPIN-2018-04376
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Computational neuroscience modelling of cognitively healthy aging and Alzheimer's disease
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    2021
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Methodological Research and Statisitical Modelling in Neuroscience
神经科学的方法论研究和统计模型
  • 批准号:
    RGPIN-2018-04376
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 1.53万
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    Discovery Grants Program - Individual
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    RGPIN-2018-04376
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 1.53万
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    Discovery Grants Program - Individual
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  • 批准号:
    DGECR-2018-00349
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 1.53万
  • 项目类别:
    Discovery Launch Supplement
Methodological Research and Statisitical Modelling in Neuroscience
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  • 批准号:
    RGPIN-2018-04376
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 1.53万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
Towards a 'Big Data Browser' for standardised datasets in neuroscience, and its application in ion channel and single cell modelling.
面向神经科学标准化数据集的“大数据浏览器”及其在离子通道和单细胞建模中的应用。
  • 批准号:
    BB/N019512/1
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 1.53万
  • 项目类别:
    Research Grant
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计算神经科学中的贝叶斯建模
  • 批准号:
    368852-2008
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 1.53万
  • 项目类别:
    University Undergraduate Student Research Awards
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CARMEN:电子神经科学的代码分析、存储库和建模
  • 批准号:
    EP/E002331/1
  • 财政年份:
    2006
  • 资助金额:
    $ 1.53万
  • 项目类别:
    Research Grant
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知道了