Ljudi i životinje otkrivaju različite stimuluse kao što su svetlost, zvuk i miris kroz nervne ćelije, koje zatim prenose informacije u mozak. Nervne ćelije moraju biti u stanju da se prilagode širokom spektru stimulusa koje primaju, a koji može da varira od veoma slabih do veoma jakih. Da bi to uradili, oni mogu postati manje ili više osetljivi na stimuluse (senzibilizacija i navikavanje), ili mogu postati osetljiviji na slabije stimuluse i manje osetljivi na jače stimuluse radi boljeg ukupnog reagovanja (kontrola pojačanja). Međutim, još uvek nije shvaćen tačan način na koji se to dešava.
Da bi bolje razumeo proces kontrole dobijanja, istraživački tim predvođen profesorom Kimurom sa Univerziteta Nagoja Siti u Japanu proučavao je okruglog crva C. elegans. Otkrili su da, kada crv prvi put oseti neprijatan miris, njegove nervne ćelije pokazuju veliki, brzo rastući i kontinuirani odgovor na slabe i jake stimuluse.
Međutim, nakon izlaganja mirisu, odgovor je manji i sporiji na slabe stimuluse, ali ostaje velik na jake stimuluse, sličan odgovoru na prvo izlaganje mirisu. Pošto iskustvo izloženosti mirisu izaziva efikasnije pomeranje crva dalje od mirisa, nervne ćelije su promenile svoj odgovor da bi se bolje prilagodile stimulusu koristeći kontrolu pojačanja.
Zatim su istraživači koristili matematičko modeliranje da bi razumeli ovaj proces. Matematičko modeliranje je moćan alat koji se može koristiti za bolje razumevanje složenih bioloških procesa. Otkrili su da se „odgovor na prvi miris“ sastoji od brzih i sporih komponenti, dok se „odgovor nakon izlaganja“ sastoji samo od spore komponente, što znači da iskustvo mirisa inhibira brzu komponentu kako bi se postigla kontrola.
Dalje su otkrili da se oba odgovora mogu opisati jednostavnom diferencijalnom jednačinom i da spore i brze komponente odgovaraju nepropusnoj integraciji prvog i drugog derivatnog člana koncentracije mirisa koju crv oseti. Rezultati ove studije su pokazali da se čini da prethodno iskustvo s mirisom samo inhibira mehanizam potreban za brzu komponentu.
Na osnovu ovih rezultata, istraživački tim je dalje pretpostavio da se različiti odgovori nervnih ćelija za kontrolu pojačanja mogu regulisati relativno jednostavnim procesom koji uključuje gene. Oni su tada zaista pronašli skup gena (regulator G proteina i protein kinaze G) koji su potrebni za proces.
Rezultati ove studije predstavljaju pronicljivu upotrebu matematičkog modeliranja za razjašnjavanje osnova aktivnosti nervnih ćelija i demonstriraju potencijal za proširenje našeg razumevanja životnih fenomena kombinovanjem matematičkih modela sa različitim biološkim eksperimentima.
„Rezultat modeliranja je bio potpuno iznenađujući“, rekao je prof. Kimura. „Pošto su višestruki aspekti odgovora nervnih ćelija različiti, očekivali smo da će biti uključeni komplikovaniji procesi. Jednostavan model nas je podstakao da pronađemo ključne gene koji menjaju sve aspekte razlike, i mislimo da smo to uradili.“
U zaključku, ovo istraživanje naglašava značaj matematičkog modeliranja u boljem razumevanju složenih bioloških procesa. Kombinovanjem matematičkih modela sa biološkim eksperimentima, istraživači mogu da steknu nove uvide u način na koji ćelije i organizmi funkcionišu i da predlože nove eksperimente, što možda nije moguće bez modeliranja. Ovo na kraju može dovesti do novih otkrića u oblastima biologije i medicine.
