Kalziumpulse mit kumulativen Refraktärvariablen - Fluktuationsstatistik und Implikationen für die Signalübertragung mit Kalzium

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Falcke; Professor Dr. Benjamin Lindner
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399365436

Kalzium ist ein wichtiges Signalmolekül, das in allen eukariotischen Zellen genutzt wird. Kalziumsignale bestehen aus stochastischen lokalen Prozessen (puffs), deren Interaktion globale Konzentrationsänderungen (Pulse, Wellen) bewirkt. Sowohl die lokalen Ereignisse als auch die globalen Wellen können in ein und demselben Experiment beobachtet werden. Diese Möglichkeit, den Übergang von mikroskopischen zu makroskopischen Prozessen zu beobachten, macht die raumzeitlichen Erregungsmuster der Kalziumkonzentration interessant für die Physik im Allgemeinen. Die Kalziumaktivität zeigt einerseits in vielen Eigenschaften große Variabilität zwischen einzelnen Zellen, andererseits aber auch Eigenschaften, die bei allen Zellen nahezu gleich sind. Wir wollen die Beziehung zwischen mikroskopischen und makroskopischen Phänomenen – puffs und Wellen - und die Signalübertragung bei ausgeprägter Zellvariabilität und Zufälligkeit verstehen. Die Kalziumwellen wurden bisher als eine Abfolge von Zeitpunkten der Pulse mit statistisch unabhängigen Intervallen beschrieben. Tatsächlich unterliegt jedoch die Generierung der Kalziumpulse einem langsamen Anpassungsprozess, der durch unabhängige Intervalle nicht wiedergegeben wird. In diesem Projekt entwickeln wir theoretische Modelle für die puff- und Wellen-Generierung, die Anpassungsprozesse über eine Refraktärvariable einbeziehen. Bei der Analyse der Modellgleichungen werden uns zum einen Methoden aus der theoretischen Neurowissenschaft von Nutzen sein, die für mathematisch verwandte Modelle neuronaler Aktivität mit ausgeprägten Intervallkorrelationen entwickelt wurden (multidimensionale Integrate-and-fire Modelle). Zum anderen nutzen wir diskrete stochastische Modelle, die auf Wartezeitverteilungen beruhen, und entwickeln für diese Modelle neue analytische Lösungsmethoden. Neben Erkenntnissen zur Rolle der Variabilität in der Signalübertragung mit Kalzium erwarten wir, durch unsere theoretische Analyse auch zu verstehen, wie die Zellvariabilität und die invariablen Eigenschaften der Zellen zusammenhängen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen