Turing patterns in growing domains: a model for limb formation

Tornen els Computational Mechanics EEBE, amb l'edició Autumn 2024. La primera sessió serà dimecres 30 d'octubre amb la xerrada Turing patterns in growing domains: a model for limb formation, a càrrec d'Ester Comellas, del departament de Física de la UPC.

Resum:

La formació de patrons és clau en la morfogènesi, ja que dona lloc a estructures que sustenten la funció biològica. La teoria d'Alan Turing ofereix una explicació per a la formació de patrons de morfògens, on els patrons espacials estables emergeixen a partir d'un estat inicialment quasi uniforme mitjançant interaccions no lineals de reacció-difusió. Utilitzem dades morfològiques dels brots de les extremitats de salamandra axolot en desenvolupament per explorar com la mida, la forma i la taxa de creixement influeixen en la formació de patrons esquelètics, emprant un model computacional informat per dades. El creixement de les extremitats es simula mitjançant un model d'elements finits amb una condició de contorn mòbil, i en cada etapa, s'utilitza un algoritme d'optimització inversa de creixement elàstic per determinar la distribució del creixement del teixit i de la malla. En el nostre model, un morfogen dirigeix les cèl·lules a formar cartílag, mentre que l'altre ho impedeix, reflectint els patrons observats durant la formació de les extremitats. Una anàlisi de sensibilitat examina l'impacte dels paràmetres de reacció-difusió, les condicions inicials i les taxes de creixement sobre els patrons i bifurcacions previstos, revelant un conjunt limitat de resultats. L'anàlisi d'estabilitat vincula els modes d'ona del sistema amb aquests patrons, aprofundint en la nostra comprensió del paper dels patrons de Turing en la formació de les extremitats.

Biografia de la ponent:

Ester Comellas, és professora lectora del departament de Física de la UPC, de la secció de l'Escola Superior d'Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT), i la seva recerca es centra en la modelització de sòlids i la mecànica computacional. Va finalitzar la tesis doctoral al 2016 a la UPC, on va desenvolupar models pel remodelat i creixement en teixits biològics. Posteriorment ha realitzat estades postdoctorals tant a Erlangen (Alemanya) com a Boston (EEUU). La seva investigació actual s'aplica tant al creixement del desenvolupament embrionari com a materials de la enginyeria aeronàutica.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The Computational Mechanics EEBE sessions are back with the Autumn 2024 edition. The first session will take place on Wednesday, October 30th, featuring the talk "Turing patterns in growing domains: a model for limb formation," by Ester Comellas from the Department of Physics at UPC.

ABSTRACT:

Pattern formation is key in morphogenesis, giving rise to structures that support biological function. Alan Turing’s theory offers an explanation for morphogen patterning, where stable spatial patterns emerge from an initially quasi-uniform state through nonlinear reaction-diffusion interactions. We use morphological data from developing axolotl salamander limb buds to explore how size, shape, and growth rate influence skeletal patterning, employing a data-informed computational model. Limb growth is simulated using a finite element model with a moving boundary condition, and at each stage, an inverse elastic-growth optimization algorithm is used to determine the mesh and tissue growth distribution. . In our model, one morphogen directs cells to form cartilage, while the other prevents it, reflecting the patterns seen during limb formation.  A sensitivity analysis examines the impact of reaction-diffusion parameters, initial conditions, and growth rates on predicted patterns and bifurcations, revealing a limited set of outcomes. Stability analysis links wave modes of the system to these patterns, deepening our understanding of the role of Turing patterns in limb formation.
 

SPEAKER'S BIOGRAPHY:

Ester Comellas is an assistant professor in the Department of Physics at UPC, within the section of the Terrassa School of Industrial, Aerospace and Audiovisual Engineering (ESEIAAT). Her research focuses on solid modeling and computational mechanics. She completed her PhD in 2016 at UPC, where she developed models for tissue remodeling and growth. She has since completed postdoctoral stays in both Erlangen (Germany) and Boston (USA). Her current research is applied to both embryonic development growth and materials used in aerospace engineering.