Theoretical and Experimental Study of AM and FM Molecular Communications

Abstract

Català: En el mètode de senyalització intercel·lular paracrina, les cèl·lules biològiques (emissors) secreten molècules al medi fluídic que les envolta. Les molècules secretades difonen en el medi (canal de comunicacions) i eventualment arriben a les cèl·lules destinatàries -i.e., cèl·lules veïnes (receptors). Les cèl·lules biològiques utilitzen molècules com a portadores d?informació per transmetre missatges entre poblacions cel·lulars. Aquesta informació pot estar codificada de moltes formes diferents, incloent amplitud modulada (AM) o freqüència modulada (FM), de forma similar a la les modulacions en radiocomunicacions. S'ha desenvolupat una plataforma teòrica i experimental (utilitzant microfluídica) per estudiar les comunicacions intercel·lulars que es produeixen per secreció i difusió de molècules. Aquí es presenten els resultats de la nostra aproximació, incloent un simulador basat en Matlab que es capaç de predir la concentració de molècules en qualsevol instant i posició (2D) al voltant de les cèl·lules. S'ha determinat que el mecanisme de difusió esta limitat a baixes freqüències -i.e., el sistema actua com un filtre pas baix- amb una freqüència de tall que depèn del coeficient de difusió de la molècula, de la distancia entre emissor i receptor i de les dimensions del contenidor del medi fluídic. Aquest estudi pretén entendre les raons per les quals per diferents condicions microambientals les cèl·lules decideixen modular la informació utilitzen modulacions AM o FM.

Castellano: En el método de señalización intercelular paracrina, las células biológicas (emisores) secretan moléculas al medio fluídico que les rodea. La moléculas secretadas difunden en el medio (canal de comunicaciones) i eventualmente alcanzan a las células destinatarias i.e., células vecinas (receptores). Las células biológicas utilizan moléculas como portadoras de información para transmitir mensajes entre poblaciones celulares. Esta información puede estar codificada de muchas formas diferentes, incluyendo amplitud modulada (AM) o frecuencia modulada (FM), de forma simular a las de las modulaciones en radiocomunicaciones. Se ha desarrollado una plataforma que teórica y experimental (utilizando microfluídica) para estudiar las comunicaciones intercelulares que se producen por secreción y difusión de moléculas. Aquí se presentan los resultados de nuestra aproximación, incluyendo un simulador basado en Matalab que es capaz de predecir la concentración de moléculas en cualquier instante y posición (2D) alrededor de las células. Se ha determinado que el mecanismo de difusión está limitado a bajas frecuencias ?i.e., el sistema actúa como un filtro paso bajo- con una frecuencia de corte que depende del coeficiente de difusión de la molécula, de la distancia entre emisor i receptor i de las dimensiones del contenedor del medio fluídico. Este estudio pretende entender las razones por las que para diferentes condiciones microambientales las células deciden modular la información utilizando modulaciones AM o FM.

English: In the paracrine method of intercellular signaling, biological cells (emitters) secrete molecules (signal) to the fluidic medium that surrounds them. The secreted molecules diffuse in the medium (communication channel) and eventually reach their targets.e., neighboring cells (receptors). Biological cells use molecules as information carriers for transmitting messages between cellular populations. This information can be coded in several ways, including amplitude modulation (AM) or frequency modulation (FM), similarly to what is done in radio communications. We are developing a theoretical and experimental (using microfluidics) platform to study the intercellular communication mediated by molecule secretion and diffusion. Here we present results of our approach, including a Matlab-based simulator that is able to predict the concentration of molecules at any time and location (2D) around the cells. We have determined that the mechanism of diffusion is limited to low frequencies with a cut-off frequency that depends on the diffusion coefficient of the diffusing molecule, the distance between the transmitter and the receiver, as well as on the dimensions of the container of the fluidic medium. We expect our study to uncover reasons by which different microenvironmental conditions result in biological cells choosing AM or FM communication.