盘基网柄菌群体中振荡和螺旋波的多尺度建模

单细胞生物对环境线索表现出精细的集体行为。这些行为由单个细胞内的复杂生化网络控制，并通过细胞间通信进行协调。描述这些行为需要能够跨越尺度——从单个细胞内的生化网络到空间结构的细胞群体——的新数学模型。在这里，我们提出了一系列多尺度模型，用于社会性变形虫盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）中螺旋波的出现。我们的模型利用了新的实验进展，这些进展允许直接测量和操纵盘基网柄菌细胞用于协调细胞群体行为的小信号分子cAMP。受近期实验启发，我们将盘基网柄菌信号网络建模为一个可激发系统，耦合到各种预处理模块。我们使用这一系列模型研究空间非结构化群体，通过构建相图将群体水平振荡的性质与底层生化网络中的参数联系起来。然后我们将模型扩展到包含空间结构，并展示它们如何自然地产生螺旋波。我们的模型展示了一系列新颖现象，包括密度依赖的频率变化、双稳态以及由于缓慢的cAMP动力学导致的动态死亡。我们的建模方法为盘基网柄菌群体建模中的尺度桥接提供了有力工具。