The role of hydrodynamic interactions in the dynamics and viscoelasticity of actin networks

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 143-146).Actin, the primary component of the cytoskeleton, is the most studied semi-flexible filament, yet its dynamics remains elusive. We show that hydrodynamic interactions (HIs) significantly alter the time scale of actin deformation by 2-20 fold at different levels of network structure. For a single fiber, HIs between the mesh-sized segments can change the net force by up to 7 fold. Relaxation times are underestimated, if HIs are ignored, but mode shapes are not affected. HIs can explain deviation of the relaxation times from standard worm like chain models, speculated to be due to internal viscosity of the filament. HIs affect filament alignment, a necessary step for bundle formation. Ignoring HIs can result in up to 20-fold overestimation of shear loss modulus in the 2 ym range investigated. Even for a 1 mg/ml F-actin (0.1% volume fraction), HIs cannot be neglected whether the network is discretized into beads or rods. A shear loss modulus, slightly dependent on system-size, can be defined consistent with (intrinsic) viscoelasticity. However, axial loss modulus follows a quadratic system-size dependency consistent with poroelasticity. Our results suggest that including HIs is critical for consistency in theoretical models or analyzing experimental observation in cytoskeleton mechanics and dynamics. We also propose a new rod method to incorporate the HIs accurately and effectively. This method includes HIs in the larger systems, the same way as typical bead models, but it can decrease the computational cost by up to 100,000 fold. The primary part of this thesis deals with the viscous properties of the cytoskeletal actin networks investigated via theoretical bottom-up approaches in the nm to pm ranges. However, initially we focus on elastic properties of arterial tissue in the pm to mm ranges via an experimental top-down approach. We develop a combined robust registration and inverse elasticity method to investigate the mechanical properties of arterial tissue. We quantify the accuracy of this method with simulated problems and in vitro gels. This method can identify lipid pools via OCT (optical coherence tomography) and assess plaque rupture risk for cardiovascular diagnosis. The method can also be used as a model-based registration technique.Key words: Actin, Hydrodynamic Interactions, Relaxation Time, Cytoskeleton, Rod Model, Brownian Dynamics, Viscoelasticity, Poroelasticity, Length-Scale Dependent, Inverse Elasticity Problem, Registration, Optical Coherence Tomography (OCT), Atherosclerotic Plaque, Cardiovascular Mechanics.by Reza Karimi.Ph.D

Restauration d'images en IRM anatomique pour l'étude préclinique des marqueurs du vieillissement cérébral

Les maladies neurovasculaires et neurodégénératives liées à l'âge sont en forte augmentation. Alors que ces changements pathologiques montrent des effets sur le cerveau avant l'apparition de symptômes cliniques, une meilleure compréhension du processus de vieillissement normal du cerveau aidera à distinguer l'impact des pathologies connues sur la structure régionale du cerveau. En outre, la connaissance des schémas de rétrécissement du cerveau dans le vieillissement normal pourrait conduire à une meilleure compréhension de ses causes et peut-être à des interventions réduisant la perte de fonctions cérébrales associée à l'atrophie cérébrale. Par conséquent, ce projet de thèse vise à détecter les biomarqueurs du vieillissement normal et pathologique du cerveau dans un modèle de primate non humain, le singe marmouset (Callithrix Jacchus), qui possède des caractéristiques anatomiques plus proches de celles des humains que de celles des rongeurs. Cependant, les changements structurels (par exemple, de volumes, d'épaisseur corticale) qui peuvent se produire au cours de leur vie adulte peuvent être minimes à l'échelle de l'observation. Dans ce contexte, il est essentiel de disposer de techniques d'observation offrant un contraste et une résolution spatiale suffisamment élevés et permettant des évaluations détaillées des changements morphométriques du cerveau associé au vieillissement. Cependant, l'imagerie de petits cerveaux dans une plateforme IRM 3T dédiée à l'homme est une tâche difficile car la résolution spatiale et le contraste obtenus sont insuffisants par rapport à la taille des structures anatomiques observées et à l'échelle des modifications attendues. Cette thèse vise à développer des méthodes de restauration d'image pour les images IRM précliniques qui amélioreront la robustesse des algorithmes de segmentation. L'amélioration de la résolution spatiale des images à un rapport signal/bruit constant limitera les effets de volume partiel dans les voxels situés à la frontière entre deux structures et permettra une meilleure segmentation tout en augmentant la reproductibilité des résultats. Cette étape d'imagerie computationnelle est cruciale pour une analyse morphométrique longitudinale fiable basée sur les voxels et l'identification de marqueurs anatomiques du vieillissement cérébral en suivant les changements de volume dans la matière grise, la matière blanche et le liquide cérébral.Age-related neurovascular and neurodegenerative diseases are increasing significantly. While such pathological changes show effects on the brain before clinical symptoms appear, a better understanding of the normal aging brain process will help distinguish known pathologies' impact on regional brain structure. Furthermore, knowledge of the patterns of brain shrinkage in normal aging could lead to a better understanding of its causes and perhaps to interventions reducing the loss of brain functions. Therefore, this thesis project aims to detect normal and pathological brain aging biomarkers in a non-human primate model, the marmoset monkey (Callithrix Jacchus) which possesses anatomical characteristics more similar to humans than rodents. However, structural changes (e.g., volumes, cortical thickness) that may occur during their adult life may be minimal with respect to the scale of observation. In this context, it is essential to have observation techniques that offer sufficiently high contrast and spatial resolution and allow detailed assessments of the morphometric brain changes associated with aging. However, imaging small brains in a 3T MRI platform dedicated to humans is a challenging task because the spatial resolution and the contrast obtained are insufficient compared to the size of the anatomical structures observed and the scale of the xpected changes with age. This thesis aims to develop image restoration methods for preclinical MR images that will improve the robustness of the segmentation algorithms. Improving the resolution of the images at a constant signal-to-noise ratio will limit the effects of partial volume in voxels located at the border between two structures and allow a better segmentation while increasing the results' reproducibility. This computational imaging step is crucial for a reliable longitudinal voxel-based morphometric analysis and for the identification of anatomical markers of brain aging by following the volume changes in gray matter, white matter and cerebrospinal fluid

Slice-level diffusion encoding for motion and distortion correction

Advances in microstructural modelling are leading to growing requirements on diffusion MRI acquisitions, namely sensitivity to smaller structures and better resolution of the geometric orientations. The resulting acquisitions contain highly attenuated images that present particular challenges when there is motion and geometric distortion. This study proposes to address these challenges by breaking with the conventional one-volume-one-encoding paradigm employed in conventional diffusion imaging using single-shot Echo Planar Imaging. By enabling free choice of the diffusion encoding on the slice level, a higher temporal sampling of slices with low b-value can be achieved. These allow more robust motion correction, and in combination with a second reversed phase-encoded echo, also dynamic distortion correction. These proposed advances are validated on phantom and adult experiments and employed in a study of eight foetal subjects. Equivalence in obtained diffusion quantities with the conventional method is demonstrated as well as benefits in distortion and motion correction. The resulting capability can be combined with any acquisition parameters including multiband imaging and allows application to diffusion MRI studies in general

Experimental and Data-driven Workflows for Microstructure-based Damage Prediction

Materialermüdung ist die häufigste Ursache für mechanisches Versagen. Die Degradationsmechanismen, welche die Lebensdauer von Bauteilen bei vergleichsweise ausgeprägten zyklischen Belastungen bestimmen, sind gut bekannt. Bei Belastungen im makroskopisch elastischen Bereich hingegen, der (sehr) hochzyklischen Ermüdung, bestimmen die innere Struktur eines Werkstoffs und die Wechselwirkung kristallografischer Defekte die Lebensdauer. Unter diesen Umständen sind die inneren Degradationsphänomene auf der mikroskopischen Skala weitgehend reversibel und führen nicht zur Bildung kritischer Schädigungen, die kontinuierlich wachsen können. Allerdings sind einige Kornensembles in polykristallinen Metallen, je nach den lokalen mikrostrukturellen Gegebenheiten, anfällig für Schädigungsinitiierung, Rissbildung und -wachstum und wirken daher als Schwachstellen. Daher weisen Bauteile, die solchen Belastungen ausgesetzt sind, oft eine ausgeprägte Lebensdauerstreuung auf. Die Tatsache, dass ein umfassendes mechanistisches Verständnis für diese Degradationsprozesse in verschiedenen Werkstoffen nicht vorliegt, hat zur Folge, dass die derzeitigen Modellierungsbemühungen die mittlere Lebensdauer und ihre Varianz in der Regel nur mit unbefriedigender Genauigkeit vorhersagen. Dies wiederum erschwert die Bauteilauslegung und macht die Nutzung von Sicherheitsfaktoren während des Dimensionierungsprozesses erforderlich. Abhilfe kann geschaffen werden, indem umfangreiche Daten zu Einflussfaktoren und deren Wirkung auf die Bildung initialer Ermüdungsschädigungen erhoben werden. Die Datenknappheit wirkt sich nach wie vor negativ auf Datenwissenschaftler und Modellierungsexperten aus, die versuchen, trotz geringer Stichprobengröße und unvollständigen Merkmalsräumen, mikrostrukturelle Abhängigkeiten abzuleiten, datengetriebene Vorhersagemodelle zu trainieren oder physikalische, regelbasierte Modelle zu parametrisieren. Die Tatsache, dass nur wenige kritische Schädigungen bezogen auf das gesamte Probenvolumen auftreten und die hochzyklische Ermüdung eine Vielzahl unterschiedlicher Abhängigkeiten aufweist, impliziert einige Anforderungen an die Datenerfassung und -verarbeitung. Am wichtigsten ist, dass die Messtechniken so empfindlich sind, dass nuancierte Schwankungen im Probenzustand erfasst werden können, dass die gesamte Routine effizient ist und dass die korrelative Mikroskopie räumliche Informationen aus verschiedenen Messungen miteinander verbindet. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, einen Workflow zu etablieren, der den Datenmangel behebt, so dass die zukünftige virtuelle Auslegung von Komponenten effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger gestaltet werden kann. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein kombinierter experimenteller und datenverarbeitender Workflow vorgeschlagen, um multimodale Datensätze zu Ermüdungsschädigungen zu erzeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Auftreten von lokalen Gleitbändern, der Rissinitiierung und dem Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse. Der Workflow vereint die Ermüdungsprüfung von mesoskaligen Proben, um die Empfindlichkeit der Schädigungsdetektion zu erhöhen, die ergänzende Charakterisierung, die multimodale Registrierung und Datenfusion der heterogenen Daten, sowie die bildverarbeitungsbasierte Schädigungslokalisierung und -bewertung. Mesoskalige Biegeresonanzprüfung ermöglicht das Erreichen des hochzyklischen Ermüdungszustands in vergleichsweise kurzen Zeitspannen bei gleichzeitig verbessertem Auflösungsvermögen der Schädigungsentwicklung. Je nach Komplexität der einzelnen Bildverarbeitungsaufgaben und Datenverfügbarkeit werden entweder regelbasierte Bildverarbeitungsverfahren oder Repräsentationslernen gezielt eingesetzt. So sorgt beispielsweise die semantische Segmentierung von Schädigungsstellen dafür, dass wichtige Ermüdungsmerkmale aus mikroskopischen Abbildungen extrahiert werden können. Entlang des Workflows wird auf einen hohen Automatisierungsgrad Wert gelegt. Wann immer möglich, wurde die Generalisierbarkeit einzelner Workflow-Elemente untersucht. Dieser Workflow wird auf einen ferritischen Stahl (EN 1.4003) angewendet. Der resultierende Datensatz verknüpft unter anderem große verzerrungskorrigierte Mikrostrukturdaten mit der Schädigungslokalisierung und deren zyklischer Entwicklung. Im Zuge der Arbeit wird der Datensatz wird im Hinblick auf seinen Informationsgehalt untersucht, indem detaillierte, analytische Studien zur einzelnen Schädigungsbildung durchgeführt werden. Auf diese Weise konnten unter anderem neuartige, quantitative Erkenntnisse über mikrostrukturinduzierte plastische Verformungs- und Rissstopmechanismen gewonnen werden. Darüber hinaus werden aus dem Datensatz abgeleitete kornweise Merkmalsvektoren und binäre Schädigungskategorien verwendet, um einen Random-Forest-Klassifikator zu trainieren und dessen Vorhersagegüte zu bewerten. Der vorgeschlagene Workflow hat das Potenzial, die Grundlage für künftiges Data Mining und datengetriebene Modellierung mikrostrukturempfindlicher Ermüdung zu legen. Er erlaubt die effiziente Erhebung statistisch repräsentativer Datensätze mit gleichzeitig hohem Informationsgehalt und kann auf eine Vielzahl von Werkstoffen ausgeweitet werden