Prof. Dr. Martin Falcke
Themen
Zusammenfassung
Prof. Falcke erforscht die mathematische Modellierung von Kalziumsignalen in Zellen und der elektrophysiologischen Prozesse im Herzen. Sein Fokus liegt darauf, zu verstehen, wie stochastische lokale Ereignisse (Kalziumpuffs) zu globalen Signalmustern führen und wie elektrische Signale über verschiedene räumliche und zeitliche Skalen — von subzellulären Strukturen bis zum ganzen Organ — koordiniert werden. Für Industrie und Medizin ist das relevant, um Herzrhythmusstörungen, Signalübertragungsfehler und zelluläre Dysfunktionen besser vorherzusagen und therapeutisch zu adressieren. Seine Methoden verbinden experimentelle Daten mit computergestützten Simulationen, um die Brücke zwischen Molekularbiologie und Organfunktion zu schlagen.
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Stammdaten
Identität, Organisation und Kontakt aus HU-FIS.Prof. Dr. Martin Falcke
HU-FIS-Profil ↗- Institut
- Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
Forschungsprojekte
3IGRK 1740/2: Dynamische Phänomene in komplexen Netzwerken: Grundlagen und Anwendungen
Quelle ↗Netzwerke mit komplexer Topologie haben sich während des letzten Jahrzehnts als ein erfolgreicher Zugang erwiesen, um große komplexe Systeme zu verstehen. Ihre Anwendbarkeit erstreckt sich über viele Gebiete wie z.B. Neurowissenschaften, Ingenieurswissenschaften, Soziologie oder auch Ökonomie. Der Fokus der meisten Studien lag bisher auf festen, unabänderlichen Topologien; daher waren die Analysen in ihrem Anwendungsbereich stark eingeschränkt. In unserem iGRK untersuchen wir Prinzipien der Selbstorganisation in zeitlich veränderlichen, komplexen Netzwerken. Um diese Ansätze realitätsnäher zu gestalten, sollen zusätzlich Einflüsse von Netzwerkheterogenitäten, multiskaligen, zeitlichen Verzögerungen sowie von stochastischen Quellen erforscht werden. Diese theoretischen Studien werden eng mit der Untersuchung experimenteller und natürlicher Netzwerke zunehmender Komplexität, von Stromnetzen über Infektionsnetzwerke und Neuronennetzwerke bis zum Erdsystem verknüpft. Letzteres ist eine Herausforderung, auf die wir besonderes Augenmerk legen werden. Ein Hauptthema des Graduiertenkollegs wird daher auch das Verständnis von Teilsystemen der Erde unter sich wandelnden Bedingungen sein. Insbesondere werden Einflüsse wie die globale Erwärmung und der Landnutzungswandel im Amazonasgebiet untersucht.
Kalziumpulse mit kumulativen Refraktärvariablen - Fluktuationstatistik und Implikationen für die Signalübertragung mit Kalzium
Quelle ↗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.