梁辉握著话筒的手已经在微微发颤了。
他猜对了。
肖宿说可以。
梁辉的数学功底虽然跟不上肖宿讲座的主体內容,但刚才那一段关於纤维丛和极小能量轨跡的表述,他大致听懂了七八成。
肖宿用的是微分几何的语言,但是他脑子里自动翻译成了肿瘤生物学的图景,白质束的骨架结构、肿瘤细胞的迁移偏好、边界条件的设定方式,这些他太熟了,熟到能在脑子里直接跑一遍模擬。
也正是因为听懂了,他才立刻意识到这里有一个绕不开的问题。
“肖教授,”梁辉稳住声音,语速不自觉地加快了,“您说的这个框架,核心前提是把白质束的扩散张量场当作一个静態的约束边界。
但是胶质母细胞瘤的侵袭过程中,肿瘤细胞分泌的穀氨酸会诱导神经元兴奋性毒性死亡,mmp会降解细胞外基质,白质束的几何结构在疾病进程中是在不断被重塑的,这会大大破坏白质束的完整性。
也就是说,约束条件本身是时间依赖的。
这个纤维丛的底流形不是静態的,它在被肿瘤自身不断修改。这种情况下,您刚才定义的极小能量轨跡的边界条件,要怎么处理这种动態边界问题呢?”
这个问题一问出来,前排几个数学家的表情就变了。
舒尔茨本来靠在椅背上,听到这个问题后微微坐直了身体。
他侧过头,低声对格林说:“这个问题问的很关键啊,动態边界的纤维丛,不是平移一个静態框架就能解决的。”
格林点了点头,目光落在肖宿身上,等著看他的反应。
肖宿听完,表情没什么变化,只是微微偏了下头。
“这个问题在数学上其实不是新问题。
白质束被肿瘤重塑的过程,本质上是一个边界演化的自由边界问题,如果你把白质束的降解速率和肿瘤细胞密度做耦合,那么约束边界的演化方程就可以用一个水平集方法来描述,把白质束边界嵌入为高维函数的零水平集,然后用偏微分方程驱动边界的运动。”
他在白板上又画了一个小图,几条线向內收缩,旁边写了一个偏微分方程。
“在时间步n的约束边界上求解极小能量轨跡,然后把轨跡上新预测的肿瘤位置代入边界演化方程,更新白质束的破坏程度,再把更新后的边界作为时间步n+1的约束条件。
每一步的极小能量轨跡仍然由和乐约束保证唯一性,边界演化的连续性则由纤维丛联络的lipschitz性质保证。
两套方程交替叠代,格式是稳定的。”
他放下马克笔,“这个做法在数值上没什么难度。”
梁辉听完,脑子追著肖宿的推导了半天,才勉强跟上了基本逻辑,他下意识地点了点头,紧接著又问了一个问题。
“好的肖教授,如果是这样的话,这里面还有一个更根本的困难。
胶质母细胞瘤不是一种均质的肿瘤,单细胞测序已经揭示它的瘤內异质性程度远超大多数实体瘤,同一个病灶里,不同亚克隆的侵袭能力差异很大,有的克隆偏好沿白质束迁移,有的克隆倾向於沿血管基底膜播散,有的克隆甚至能在细胞外基质中独立开闢路径,这些不同亚克隆的侵袭策略各不相同,但它们在同一个微环境中相互竞爭、协同演化。
如果把肿瘤看作一个整体,用一个统一的极小能量轨跡来描述,就完全忽略了亚克隆之间的异质性。
但是如果要分克隆建模,不同克隆的能量泛函又要怎么定义呢?它们之间的竞爭关係又要怎么在您的纤维丛框架里体现呢?”
这个问题一出,台下顿时响起一阵窸窸窣窣的说话声。
如果说刚才动態边界的问题,前排数学家还能大致理解在问什么,边界演化、自由边界问题、水平集方法,这些都是偏微分方程领域的標准工具,可现在梁辉的这个问题,已经完全超出了他们的知识边界了。
陆奇和陈林坐在第三排,两人对视了一眼,同时从对方眼里看到了一种久违的迷茫。
刚才肖宿讲ns方程,他们虽然跟不上全部推导,但至少知道每一个数学对象是干什么的,哪怕细节跟不上,大框架是清楚的。
现在台上这个教授是在说什么?
亚克隆的侵袭策略?穀氨酸诱导的兴奋性毒性?mmp降解细胞外基质?
啥呀!?
“你听懂了吗?”陆奇压低声音问陈林。
陈林缓慢地摇了摇头,“没有,我只听懂了一个肿瘤,其他的……”他顿了顿,“好像是医学?还有生物学?”
他说著,又揉了揉太阳穴,有些无助的说:“你还是別问我了,我连白质束到底长什么样都没概念,问我也白搭。”
听到他的回答,陆奇也有些无奈的笑了一下。
两人同时往后看了一眼。
后排那些教授脸上的表情也没比他们好到哪儿去,全都是一片空白。
陈林扭过头来,鬆了一口气,“还好还好,大家都不懂。”
这话把陆奇也逗的一乐,“哈哈。”
而台上,肖宿听完梁辉的问题,眼睛反而亮了一点。
这个问题倒是比刚才那个动態边界问的更有水平一些,而对於那些用心思考的人,肖宿从来都不介意多花一些时间。
“这个问题触及到了一个比单个纤维丛更深的数学结构。”
他转过身,又拿起了马克笔,在白板上一片还空著的区域开始画,“如果你要对一个异质性肿瘤进行分克隆建模,单个纤维丛確实不够,你需要构造一个纤维丛族,每个亚克隆对应一个纤维丛,底流形都是白质束,但是各自的能量泛函不一样,取决於每个亚克隆对白质束的偏好程度。”
他在白板上画了几条平行的线,每条线上標註了不同的权重係数。
“侵袭能力强的亚克隆,它的能量泛函里各向异性扩散的权重就高,意味著它更倾向於沿白质束走。侵袭能力弱的亚克隆,它的能量泛函里各向同性扩散的权重就高,意味著它的迁移更接近隨机游走。
这两类亚克隆的极小能量轨跡完全不同,但它们共享同一个白质束底流形。
然后亚克隆之间的竞爭,在数学上可以建模为一个演化的种群动力学方程。
每个亚克隆的密度隨时间的演化,取决於两个因素,一哥是它自身沿极小能量轨跡扩散的速率,还有一个是它和其他亚克隆在微环境资源上的竞爭係数。”
他在纤维丛族的图示旁边又写了一个耦合方程组。
“扩散速率由我刚才说的和乐约束极小能量轨跡给出,竞爭係数可以从单细胞测序的转录组数据中估算。
这样,纤维丛族提供空间动態,种群动力学方程提供亚克隆频率的动態,两套方程联立,就是一个完整的肿瘤异质性侵袭模型了。”
他放下马克笔,语气平淡地补了一句:
“当然,这个模型的自由度比单纤维丛模型大不少,参数估计需要的输入数据也更多。但是在理论上没有什么困难,本质上就是一个多纤维丛耦合的变分问题,唯一性由各亚克隆能量泛函的凸性分別保证,耦合项是线性的,不会破坏整体凸性。”
梁辉几乎是调动了所有的脑细胞想要跟上肖宿的思路,可肖宿说到的那些种群动力学方程还是让他脑瓜一紧。
耦合方程组?演化种群动力学?多纤维丛耦合的变分问题?各亚克隆能量泛函的凸性?
后面这些內容他是一个也没听懂,一个做了二十多年肿瘤研究的人,在自己最熟悉的领域里,忽然產生了一种强烈的陌生感。
他看著肖宿写下的那些东西,脑子里不由自主的冒出了一句话:如果当初好好学习数学就好了……
第364章 如果当初好好学习数学就好了
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