El sistema circadiari€¦ · en Cronobiología Antoni Díez Noguera Grup de Cronobiologia Facultat de Farmàcia, Universitat de Barcelona Barcelona, 2009 UNIVERSITAT DE BARCELONA

1

Antoni Díez [email protected], 2009

U

B

1

GRUPDECRONOBIOLOGIA

GRUPDECRONOBIOLOGIA

ModelitzaciModelitzacióóen Cronobiologen Cronobiologííaa

Antoni Díez Noguera

Grup de CronobiologiaFacultat de Farmàcia, Universitat de Barcelona

Barcelona, 2009

UNIVERSITAT DE BARCELONA


U

B

2

El sistema circadiari

2


U

B

3


U

B

4

3


U

B

5

NSQ-H(augmentat)

VIP

3V

QOQO

Sistemes efectors

RafeSerotonina

LIG

CGL

NP Y

Retina

TRH

Glutàmic

NPV-T

NDM-H

NPV-H

Pineal

Medul·la

GSC

Melatonina


U

B

6

4


U

B

7


U

B

8

NSQNSQ

5


U

B

9

Roda giratòria Feixos IR creuats


U

B

10

díes

hores

actograma

x 2Actograma: double plot

dades...

24 horesmòdul T

..

.

. . .

polsos

24 h 48 h0 h

6


U

B

11

• Locomoció• Exploració• Alimentació• Neteja• Tremolor• Gratar-se• Ansietat•...

Locomoció

ExploracióAlimentació

Neteja Tremolor

Gratar-se

Σ= activitat motora

24 hores


U

B

12

Proposta inicialdel model

7


U

B

13

Desenvlupament del ritme en rates joves

23 d

60 d

0h 24h

Diez-Noguera A et al., J Interdiscipl Cycle Res 19:65-74, 1988


U

B

14

23 d

60 d

0h 24h

8


U

B

15

XX

YY

X, Y = [Na+] [K+] [GLU] Vm

x = f(x,y) = 1 - xy

1 + by = g(x,y) = ay ( x - )

1 + bySelkovBrusselator Kagan-Kepler-EpsteinPavlidisVan der PolRayleighDuffin


U

B

16

I: Intensitat de l’acoblament

x = x + (Σxi - nx) I / (n-1)

y = y + (Σyi - ny) I / (n-1)

~

~

~

~

XX

YY

Interacció = acoblament

9


U

B

17

Runge - Kutta de 2º ordre

Interacció = acoblamentImplementació pràctica

I: Intensitat de l’acoblament

x = x + (Σxi - nx) I / (n-1)

y = y + (Σyi - ny) I / (n-1)

~

~

~

~

XX

YY

x = f(x,y) = 1 - xy

1 + by = g(x,y) = ay ( x - )

1 + by

++


U

B

18

0h0h 24h24h

24.224.324.424.524.624.724.824.9

2525.1

0 200 400 600 800 1000lux

tau

(h)

Efecte tònicde la llum

10


U

B

19

LLINDAR

SALIDA


U

B

20

n oscillators

X

YY

X

YY

X

YY

Intensitat de l’acoblament

Intensitat de la llum

11


U

B

21

tau

tau

Simulacióamb sistemes

multiosciladorsSistemes reals

I: Intensitat de l’acoplament

lux lux

I: Intensitat de l’acoplament


U

B

22

Proposta finaldel model

12


U

B

23

LLINDAR

SALIDA


U

B

24

I

X

Y35

Intensitat de l’acoblament

tau

(h)

030

25

20

150 0.5 1 1.5 2

N d’elements neutres

12

48

16

I

X

Y

13


U

B

25

0h0h 24h24h

CT 0CT 0

66

1212

1818

Curva de respuestas de fase

-2

-1

0

1

2

3

0 4 8 12 16 20 24tiempo circadiano

cam

bio

de fa

se

Efecte fàsicde la llum

CT 0CT 0

66

1212

1818

CT 0CT 0

66

1212

1818


U

B

26

Δφ = f( I, a, b,... )

Mecanismeparamètric

S.C.

Efecte tònic

Mecanismeno paramètric

Δφ = f( φt )

S.C

Efecte fàsic

Colin Pittendrigh1918-1996Colin Pittendrigh1918-1996

Jürgen Aschoff1913-1998Jürgen Aschoff1913-1998

14


U

B

27

μi μj

YY

XX

μi = μj

YY

XX

II


U

B

28

YY

XX

YY

XX XX

YY

15


U

B

29

• Sortida• aditiva, llindar,

• Sortida• aditiva, llindar,

Diez-Noguera A, Am J Physiol 267:R1118-R1135, 1994

• Acoblament intern• modulat per la llum (inhibit)• desenvolupament postnatal• feedback

• Acoblament intern• modulat per la llum (inhibit)• desenvolupament postnatal• feedback

• Elements neutres• Elements neutres

• N osciladors• cicle límit• trajectòria asimètrica• velocitats diferents

• N osciladors• cicle límit• trajectòria asimètrica• velocitats diferents

LLINDAR

SORTIDA(efector)


U

B

30

Drosophila melanogaster

Helfrich-Förster & Díez-Noguera, J Interdiscipl Cycle Res 24:225-, 1993

29

24

19

4 3 2 1 0lux

tau

(h) perl

wtpers

29

24

19

2 6 10 14 18I. acoplamiento

tau

(h) 1 n

2 n14 n

distancia = k I distancia = k I

16


U

B

31

llindar

SORTIDA(efector)

CCèèll··luleslules glialsglials: : astròcitsastròcits ¿¿??

NeuronesNeurones, clusters , clusters ¿¿??

Modificable, plasticidad Modificable, plasticidad ¿¿??

Welsh DK, Reppert SM. 1996; Brain Res

Welsh DK, et al. 1995; Neuron

Díez-Noguera A, et al. 1992; J Interd Cycle ResDiez-Noguera A, Cambras T, 1988; Physiol Behav

PlasticitatPlasticitat……


U

B

32

17


U

B

33

23 d

60 d

0h 24h


U

B

34

Verificaciódel model

18


U

B

35

0 6 12 18 24 30

25h

LD 3/1 T=4h

28h22h


U

B

36

Vilaplana J et al., Am J Physiol 272:R95-R102, 1997

díes 70

0

41

34

39

29

38

70

111

145

184

213

251

24 h

19


U

B

37

T=22 h T=23 h T=24 h T=25 h T=26 h T=27 h T=28 h

Vilaplana J et al., Chronobiol Int 14:9-18, 1997

Tots els actogrames en mòdul 24 h


U

B

38

T=22 h T=23 h T=24 h

Tots els actogrames en mòdul 24 h

Vilaplana J et al., Chronobiol Int 14:9-18, 1997

20


U

B

39

T=22 h T=23 h T=24 h T=25 h T=26 h T=27 hT=21 h

Todos los actogramas en módulo de T

Campuzano A, et al., Physiol Behav 67:791-797, 1999.


U

B

40

QO

33VV

NSQ

TRH

de la Iglesia H et al., Curr Biol 14:796-800, 2004

21


U

B

41

Relació de fases entre components ultradiarisRatolins encarrilats a LD T=21h


U

B

42

-1 ,5

-1

-0 ,5

0

0 ,5

1

1 ,5

2

0 4 8 12 1 6 20 2 4

Temps circadiari

Incr

emen

t de

fase

PRCCRF per Gallus domesticus

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0 4 8 12 16 20 24Temps circadiari

Incr

emen

t de

fase

CRF per Paramecium bursaria

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 4 8 1 2 16 20 2 4Temps circadiari

Incr

emen

t de

fase

CRF per Passer domesticus

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 4 8 12 16 2 0 2 4Temps circadiari

Incr

emen

t de

fase

Gallus domesticus Taphozous melanopogon

Paramecium bursaria Passer domesticus

22


U

B

43

CRF amb 64 oscil.ladors tipus Selkov

-1 ,5

-1

-0 ,5

0

0,5

1

1,5

0 5 1 0 1 5 20 2 5

Pseudo temps circadiari

Incr

emen

t de

fase

CRF amb 64 oscil.ladors tipus Brusellator

-0 ,7

-0 ,6

-0 ,5

-0 ,4

-0 ,3

-0 ,2

-0 ,1

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 4 8 1 2 1 6 2 0 24


Incr

emen

t de

fase

Selkov Brusselator

Low coupling ( L ) High coupling ( D )


U

B

44

CRF amb 64 oscil.ladors tipus Pavlidis

-1 ,6

-1 ,4

-1 ,2

-1

-0 ,8

-0 ,6

-0 ,4

-0 ,2

0

0 ,2

0 ,4

0 4 8 1 2 16 20 24


Incr

emen

t de

fase

CRF amb 64 oscil.ladors tipus glicolisi

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 4 8 1 2 1 6 20 24


Incr

emen

t de

fase

Pavlidis Glycololysis


23


U

B

45

CRF amb 64 oscil.ladors tipus Kagan-Kepler-Epstein

-0 ,5

-0 ,4

-0 ,3

-0 ,2

-0 ,1

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 4 8 1 2 16 20 24


Incr

emen

t de

fase

CFR amb 64 oscil.ladors tipus Wilson-Lowan

-0 ,2

-0 ,1 5

-0 ,1

-0 ,0 5

0

0 ,0 5

0 4 8 12 16 20 2 4


Incr

emen

t de

fase

Kagan-Kepler-Epstein Wilson-Lowan



U

B

46

x = f(x,y) = 1 - xy

1 + by = g(x,y) = ay ( x - )

1 + by

x = f(x,y) = 1 - xy

1 + by = g(x,y) = ay ( x - )

1 + by

SelkovBrusselatorKagan-Kepler-EpsteinPavlidis

SelkovBrusselatorKagan-Kepler-EpsteinPavlidis

24


U

B

47

PRC PRC

On és la PRC ?PRC PRC


U

B

48

Complexitatexterna

25


U

B

49

LD

tª

H%

AMAliment

Aigua

Aislament


U

B

50

26


U

B

51

LD

lux

lux

lux


U

B

52Rang d’encarrilament

Boulos et al., J Biol Rhytm 2002

27


U

B

53

tiempo

fase

tiempo

fase

Encarrilament fàsic versus tònic


U

B

54

Irradiància solar

28


U

B

55


U

B

56

29


U

B

57

Olores (3 diferentes)Ventiladores

Movimiento externo 2

SonidoMovimiento externo 1

Movimiento jaula

Calefactor (8-10º)


U

B

58

85 dies, T=1455

30


U

B

59

Complexitatinterna


U

B

60

TopologicalSpatial structure, interconnections

PopulationalDifferences between the oscillators

IntrinsicCharacterisctics of each oscillator

31


U

B

61


U

B

62

32


U

B

63


U

B

64

Selkov Rösler

16

18

20

22

24

26

28

30

32

0,01 0,1 1I

T

16

18

20

22

24

26

28

30

32

0,01 0,1 1

I

T

33


U

B

65

Selkov


U

B

66

Rösler YZ

34


U

B

67

Contrast L/D (nivells d’acoblament)

Foscor D

LlumL

Chiesa JJ et al., J Biol Rhythms 21:45-57, 2009


U

B

68

Contrast L/D (nivells d’acoblament)


35


U

B

69


Transició amb T=22, LD:300/0 > LD:300/0,1


U

B

70

The “Barcelona-Model” of the Activity/Rest (Motor) Cycle in Rats

Colin Pittendrigh, Barcelona, març de 1994

36


U

B

71

Mari SansPD

Trini CambrasPTU

Montse AnglésBRD

Ágata CarpentieriBFC

Toni Díez NogueraCU Juan Chiesa

BFPU

GrupGrup de Cronobiologiade Cronobiologia

M Merçè CanalPA


U

B

72

Moltes gràciesMoltes gràcies

37


U

B

73

Muchas gracias


U

B

74

Muchas gracias

38


U

B

75

Muchas gracias


U

B

76

Campuzano A, et al. Campuzano A, et al. PhysiolPhysiol BehavBehav 63:17163:171--176, 1998176, 1998

2020

4040

CELCEL

CNELCNEL

%VE%VE

6060

2121 2222 2323 T(hT(h))

25.025.0

25.425.4

2121 2222 2323 T(hT(h))

CNELCNEL

T=21T=21 T=22T=22 T=23T=23

Todos los Todos los actogramasactogramas en men móódulo de Tdulo de T

39


U

B

77Pavlidis

y1

yb

ax)y(1

xyy

ax)y(1

xy0.06cx

+−

++=

++−= ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

y2

xbxy

y2

xb)x(1ax

−=

++−=

Brusselator

( )ya

xyby

axy1x

−=

−=

Glycolysis (metabolic)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+

+−=

−=

by1

b1xayy

xy1x

Selkov Kagan-Keppler-Epstein

2y1

xycyay

2y1

xyybx

+−−=

+−= ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

ybxy

y3

x1)x(ax

−=

−−+=

Wilson-Lowan


U

B

78

T=21T=21 T=22T=22 T=23T=23

TT=21=21

nntautau

periodperiodoo TT=22=22

nntautau

periodperiodoo TT=23=23

nntautau

periodperiodoo

40


U

B

79

T=21 h T=21.5 h T=22 h T=22.5 h T=23.5 h

Tots els actogrames en mòdul T

Campuzano A, et al., Physiol Behav 63:171-176, 1998


U

B

80

50 minAnant ràpid

41


U

B

81

¿ Qué es un entorno complejo ?

¿ Qué es un entorno complejo ?


U

B

82

A+a+A+a+

42


U

B

83

M.C. Escher, Day and Night, 1938

““Entre el dia i la nit, no hi ha paret ni Entre el dia i la nit, no hi ha paret ni tabictabic””


U

B

84

Muchas gracias

43


U

B

85


U

B

86

44


U

B

87

M.C. Escher, Day and Night, 1938

““Entre el dia i la nit, no hi ha paret ni Entre el dia i la nit, no hi ha paret ni tabictabic””


U

B

88

45


U

B

89

LuzLuz

SonidosSonidos

TemperaturaTemperatura

Contacto socialContacto social

Proceso BProceso B

Proceso Proceso AA

EntornoEntorno

OrganismoOrganismo


U

B

90

Competidors

Predadors

Simbiosi

Disponibilitatd’aliment

Documents

El sistema circadiari€¦ · en Cronobiología Antoni Díez Noguera Grup de Cronobiologia Facultat de Farmàcia, Universitat de Barcelona Barcelona, 2009 UNIVERSITAT DE BARCELONA