Otto Schmitt dan Model Bidomain

Dalam Bab 7 dari Fisika Menengah untuk Kedokteran dan BiologiRuss Hobbie dan saya membahas model bidomain.

Sel-sel miokard biasanya berdiameter sekitar 10 m dan panjang 100 m. Mereka memiliki komplikasi tambahan bahwa mereka terhubung satu sama lain oleh gap junction… Hal ini memungkinkan arus mengalir langsung dari satu sel ke sel lain tanpa mengalir di media ekstraseluler. Itu bidomain (dua domain) model sering digunakan untuk memodelkan situasi ini… Ini menganggap suatu wilayah, kecil dibandingkan dengan ukuran jantung, yang berisi banyak sel dan cairan ekstraseluler di sekitarnya. Ini menyederhanakan masalah dengan mengasumsikan bahwa setiap elemen volume kecil berisi dua domain, intraseluler dan ekstraseluler.

Model bidomain telah menjadi representasi mutakhir dari sifat kelistrikan jaringan jantung, dan sebagian besar penelitian saya difokuskan padanya. Disertasi PhD Les Tung 1979 adalah salah satu publikasi pertama yang menggunakan model tersebut (“Model Bi-Domain untuk Menggambarkan Potensi DC Miokard Iskemia,” Institut Teknologi Massachusetts). Saya membaca disertasinya di sekolah pascasarjana dan itu berdampak besar pada penelitian saya. Tung menulis

Struktur bidomain yang dikembangkan di sini adalah realisasi kuantitatif rinci dari konsep domain interpenetrasi, dijelaskan secara kualitatif oleh Schmitt (1969).

Pada waktu yang hampir bersamaan, David Geselowitz dan muridnya Tom Miller mengembangkan model serupa. Dalam makalah tahun 1983 (“A Bidomain Model for Anisotropic Cardiac Tissue,” Sejarah Teknik BiomedisVolume 11, Halaman 191–206), mereka juga mengutip sumber yang sama.

Schmitt (20) memperkenalkan konsep “domain interpenetrating” berdasarkan pertimbangan sifat listrik dari daerah yang mengandung banyak sel. Dia mengusulkan bahwa setiap titik di otot diwakili oleh resistivitas intraseluler “mewakili impedansi sitoplasma dari lingkungan sel yang serupa pada basis volume yang dinormalisasi,” dan oleh resistivitas ekstraseluler yang serupa. Keduanya akan dihubungkan pada setiap titik oleh penerimaan nonlinier terdistribusi yang mensimulasikan membran sel aktif.

Pada tahun 1984, Robert Plonsey dan Roger Barr menerbitkan makalah awal tentang model bidomain (“Pola Aliran Saat Ini dalam Bisyncytia Anisotropik Dua Dimensi dengan Konduktivitas Normal dan Ekstrim,” Jurnal Biofisika, Volume 45, Halaman 557–571). Mereka menulis

Karena sudut pandangnya bersifat global daripada seluler (diskrit), maka lebih mudah untuk mempertimbangkan ruang intraseluler dan ruang interstisial sebagai kontinu dan dijelaskan oleh koordinat yang sama (kedua ruang harus kongruen, atau, seperti yang dijelaskan oleh Schmitt (2), “interpenetrating domain”).

Ketiga publikasi mengutip bab buku yang sama oleh Otto Schmitt berjudul “Pemrosesan Informasi Biologis Menggunakan Konsep Interpenetrating Domains” (dalam Pemrosesan Informasi dalam Sistem Saraf, Leibovic, KN, editor, Springer, Berlin, Halaman 325–331). Saya memutuskan bahwa jika bab ini adalah sumber sebenarnya dari konsep bidomain, maka saya harus membacanya (atau membacanya kembali, seperti yang saya ingat pernah melihatnya beberapa dekade yang lalu). Fitur menarik tentang bab ini bukanlah apa yang ada di dalamnya, tetapi apa yang tidak. Schmitt tidak pernah menggunakan kata-kata ini: bidomain, jantung, jantung, miokardium, syncytium, gap junction, atau kabel. Sebaliknya, bab ini berfokus sepenuhnya pada sistem saraf, dan bahkan tidak pernah mengisyaratkan aplikasi kardiovaskular. Jadi, apa yang ditulis Schmitt yang begitu berpengaruh?

Mari kita perkenalkan gagasan tentang impedivitas vektor listrik regional lokal yang mewakili impedansi sitoplasma dari lingkungan sel-sel yang serupa pada basis volume yang dinormalisasi dan juga mewakili cairan interstisial regional sebagai hambatan eksternal dengan normalisasi dan sifat vektor yang serupa. Hubungkan keduanya di setiap titik dengan penerimaan terdistribusi, skalar, nonlinier, yang mensimulasikan membran sel aktif yang khas.

Schmitt kemudian menyajikan deskripsi yang lebih visual dari idenya.

Jika ada kesulitan dalam memahami interpenetrasi rangkap tiga dari dua domain impedivitas dan satu domain penerimaan ini, pikirkan ilustrasi sederhana berikut ini. Bayangkan layar lalat kubik tiga dimensi dari kawat resistansi sebagai hambatan pertama. Perhatikan bahwa layar identik lainnya dengan konduktivitas yang mungkin berbeda dapat dipasang sepenuhnya di dalam layar terbang pertama tanpa menyentuhnya. Cairan konduktif sedang yang dituangkan ke dalam sistem layar terbang akan, untuk semua tujuan praktis, menghubungkan dua layar di mana-mana tetapi hanya di lingkungan yang sangat terbatas di sekitar setiap sel jala yang dipasangkan, konduktivitas ini akan menjadi penting.

Schmitt menyebutnya model domain interpenetrating, tetapi saat ini kita menyebutnya model bidomain (atau kadang-kadang, model bisyncytial). Ironisnya, ide ini jarang digunakan untuk memodelkan sistem saraf, seperti yang ada dalam pikiran Schmitt. Ini paling berlaku untuk jaringan syncytial: ketika sitoplasma sel individu digabungkan ke sel tetangga melalui gap junction. Tanpa saluran antar sel seperti itu, domain intraseluler tidak digabungkan seperti “layar terbang” melainkan terdiri dari sel-sel individu yang tidak terpisahkan. Otot jantung adalah contoh klasik dari jaringan di mana semua sel digabungkan melalui gap junction, sehingga bertindak seperti syncytium.

BACA JUGA :  Kucing Schrödinger dan Rahasia Kehidupan – Perbatasan Eksperimental, dengan Josh Mitteldorf

Menariknya, analogi layar terbang terlihat mirip dengan ilustrasi resistor bidomain ini, versi yang telah saya gunakan di banyak publikasi.

Model Bidomain, direpresentasikan sebagai grid resistor dan kapasitor.
Model Bidomain (dua domain yang saling berpenetrasi).

Saya pikir itu berlebihan untuk mengatakan bahwa Schmitt adalah bapak dari model bidomain. Mungkin kakek akan lebih menggambarkan kontribusinya. Dia tidak memperoleh rumusan matematika dari idenya. Tapi dia pasti membayangkan gambaran intuitif dari dua domain interpenetrasi yang digabungkan, dan yang kemudian mempengaruhi karya Tung, Geselowitz, dan Plonsey.

Saya akan mengakhiri dengan abstrak dari biografi singkat Otto Schmitt oleh Jon Harkness (Fisika dalam PerspektifVolume 4, Halaman 456-490, 2002), ditulis empat tahun setelah kematian Schmitt.

Koneksi Seumur Hidup: Otto Herbert Schmitt, 1913–1998

Jon M. Harkness

Otto H. Schmitt lahir di St. Louis, Missouri, pada tahun 1913. Sebagai seorang pemuda, ia menunjukkan ketertarikannya pada teknik elektro tetapi juga mengejar berbagai minat lainnya. Dia menerapkan bakat multi-disiplinnya sebagai mahasiswa sarjana dan pascasarjana di Universitas Washington, di mana dia bekerja di tiga departemen: fisika, zoologi, dan matematika. Untuk penelitian doktoralnya, Schmitt merancang dan membangun perangkat elektronik untuk meniru propagasi potensial aksi di sepanjang serabut saraf. Penemuannya yang paling terkenal, sekarang disebut pemicu Schmitt, muncul dari penelitian awal ini. Schmitt menghabiskan sebagian besar karirnya di University of Minnesota, di mana dia melakukan pekerjaan perintis di bidang biofisika dan bioteknologi. Dia juga bekerja di tingkat nasional dan internasional untuk menempatkan biofisika dan bioteknologi pada pijakan institusional yang kuat. Tahun-tahunnya di Minnesota terganggu oleh Perang Dunia II. Selama konflik itu—dan bulan-bulan awal Perang Dingin berikutnya—Schmitt melakukan penelitian terkait pertahanan di Laboratorium Instrumen Lintas Udara di New York. Menjelang akhir karirnya di Minnesota, Schmitt menciptakan istilah biomimetika. Dia meninggal pada tahun 1998.

Otto Schmitt mendiskusikan karyanya selama Perang Dunia II.

BACA JUGA :  Aktivitas Going-Green untuk Anda dan Hewan Peliharaan Anda di Hari St. Patrick ini

https://www.youtube.com/watch?v=lMCJG2C2_CY

Leave a Reply

Your email address will not be published.