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Flow network morphology as memory map: Principles of fluid flow driven dynamic memory in living tubular networks

Descrizione del progetto

Esplorare la memoria nelle reti fluide degli organismi viventi

I sistemi viventi trasportano carichi vitali tra cui molecole di segnalazione, ossigeno, nutrienti e scarti su lunghe e brevi distanze con l’aiuto di fluidi che scorrono attraverso vaste reti tubolari. Di questi tubi, una gran parte risponde dinamicamente alle variazioni in caratteristiche del flusso, ad esempio l’aumento del diametro in risposta a un incremento della velocità del flusso. Tali adattamenti possono essere a lungo termine, riflettendo essenzialmente un tipo di memorizzazione di eventi e condizioni precedenti. Il progetto FlowMem, finanziato dall’UE, sta studiando come stimoli transitori locali possano indurre variazioni a lungo termine; l’obiettivo è utilizzare le conoscenze acquisite per modulare reti tubolari e applicarle in campi che vanno dalla biomedicina e microfluidica alla cosiddetta robotica morbida.

Obiettivo

Fluid flows through tubular networks are crucial for life as they are the dominant means of substance and signal transport. In living networks – across organisms as disparate as animals and fungi, alterations of flows drive dynamic adaptation of tube diameters which in turn alters transport performance. In effect, local transient stimuli that affect flows are memorized as long-lived alterations to tube diameters across the network. I aim to identify the physical principles behind fluid flows driving dynamic memory storage in network morphology. I will thereby uncover how to control network morphology and performance by applied flow-altering stimuli, which promises significant advances in important challenges of the future: treatment of vascular diseases and tumour development, encoding complex behaviour in soft robotics and self-optimizing porous media.
The dynamic nature of flows and networks’ complex morphologies requires a combined experimental and theoretical approach to address: What are the physical mechanisms of how flows in living tubular networks can encode and store information about stimuli? How do memories impact network performance? As experimental model system I choose the slime mould Physarum polycephalum. It is ideally suited as a starting point, as it reduces the problem in its complexity to just a tubular network. This model allows me to follow with unprecedented level of detail how stimuli transiently perturb network-wide flows – flows that subsequently drive long-term changes in network morphology. Theoretical models will verify mechanisms and allow investigation of impact on network function. Identified principles of dynamic memory formation will be applied to study consequences of mini-stroke stimuli and possible treatment in brain microvasculature and to design self-optimizing porous media. I will develop general principles advancing physics and biology with far-reaching implications in medicine and engineering.

Campo scientifico (EuroSciVoc)

Parole chiave

Programma(i)

Argomento(i)

Meccanismo di finanziamento

ERC-STG - Starting Grant

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Invito a presentare proposte

(si apre in una nuova finestra) ERC-2020-STG

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Istituzione ospitante

TECHNISCHE UNIVERSITAET MUENCHEN
Contributo netto dell'UE
€ 1 499 905,00
Indirizzo
Arcisstrasse 21
80333 Muenchen
Germania
Regione
Bayern Oberbayern München, Kreisfreie Stadt
Tipo di attività
Higher or Secondary Education Establishments
Collegamenti
Costo totale
€ 1 499 905,00

Beneficiari (1)