探索细胞内钙离子动力学中内在波动与复杂性的相互作用

细胞内钙离子 (Ca$^{2+}$) 的浓度表现出包括脉冲和混沌在内的复杂振荡，这些振荡如期望般在实验中观察到。这些动力学受到细胞内内在波动的影响，这些波动作为细胞决策过程和命运决定的关键因素。本研究系统地探讨了内在波动与细胞内细胞质 Ca$^{2+}$ 动力学复杂性之间的相互作用，采用如置换熵 (PE) 和统计复杂性 (SC) 等复杂性度量。通过化学 Langevin 方程模拟细胞质 Ca$^{2+}$ 的随机动力学。我们的发现表明，PE 和 SC 有效地 characterize 了细胞质 Ca$^{2+}$ 的多样化、动态状态，并说明了其与内在波动之间的相互作用。PE 分析表明，混沌状态对内在波动更敏感。此外，我们识别出细胞质 Ca$^{2+}$ 在复杂性-熵因果平面上的特定位置占据不同状态。这些位置表明随着内在波动的变化，复杂性和信息内容呈现不同。当调整置换顺序时，不同状态的 SC 在内在波动值的中间范围内呈现峰值。此外，我们识别出该中间范围内的尺度无关或自相似模式，这些模式进一步得到多尺度细节波动分析的证实。这些高复杂性状态可能对应于具有生物学意义的最优 Ca$^{2+}$ 动力学，揭示了内在波动与复杂性相互作用塑造的丰富复杂动力学。我们的研究增强了我们理解内在波动如何调制细胞内 Ca$^{2+}$ 动力学的复杂性，这在生物细胞中发挥关键作用。