CN111585673B - 一种分子通信中的信道切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种分子通信中的信道切换方法，分子通信细胞网络中细胞间间隙连接(Gap Junction,GJ)的渗透性受多种环境因素影响，控制环境中的因子调控GJ的渗透性，从而实现信道切换，本申请在考虑了间隙连接渗透特性基础上，提出了一种使用钙离子和氢离子混合离子调控下作信道切换的方法，该方法只需合理调控两种离子的浓度，利用间隙连接对不同浓度范围的钙离子和氢离子具有不同的开闭特性实现切换，本申请技术方案是基于细胞网络中的间隙连接的开闭，为分子通信信号分子在细胞网络中选路、定向移动提供了解决方法。

Description

一种分子通信中的信道切换方法
技术领域
本发明属于分子通信领域，具体涉及分子通信网络中基于钙、氢离子浓度变化调控下的信道切换方案。
背景技术
分子通信是近年来新兴的交叉学科的技术，主要研究通过纳米尺寸的分子作为信息载体，实现细胞间信息传递的技术。目前分子通信的研究主要停留在理论阶段，对物理层和信息论的研究相关的研究居多。随着分子通信的发展，面对更复杂的业务场景、要实现更广阔的应用，对于高层次的研究势在必行。其中信息交换和路由是一个重要而没有被充分研究的领域，信道切换为交换和路由的发展奠定了基础。细胞网络中供细胞间信息交换的通道是间隙连接，间隙连接的本质是蛋白质，组成间隙连接的蛋白质会受外界环境(如钙离子、温度、PH值)调控呈现不同的开闭状态。
发明内容
本发明根据上述生理基础事实，提出了一种钙离子和氢离子混合离子调控的信道切换方法。基于不同浓度范围的离子浓度不同的间隙连接的敏感程度不同，实现了细胞网络中的信道切换，使后续发展信息分子交换、路由、定向传输成为可能。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种分子通信中的信道切换方法，采用钙离子和氢离子两种离子对间隙连接的开闭进行调控，通过对外界钙离子和氢离子浓度升高而让受调控的间隙连接呈现解耦关闭状态，通过对外界钙离子和氢离子浓度降低而让受调控的间隙连接呈现解耦打开状态。
进一步地，还包括选取作信道切换的间隙连接对钙离子、氢离子的解耦关闭的浓度呈相反的敏感性，即钙离子浓度升高过程中由于间隙连接A对钙离子的敏感性比间隙连接B高，A先解耦关闭，B后关闭，氢离子浓度升高过程中由于间隙连接A对氢离子的敏感性比间隙连接B低，B先解耦关闭，A后关闭。
进一步地，还包括钙离子和氢离子在调控间隙连接时，当钙离子浓度低于某个阈值时，解耦特性以氢离子浓度调控为主，钙离子浓度高于某个阈值时，解耦特性以钙离子浓度调控为主，钙离子和氢离子之间不发生化学反应，在调控间隙连接耦合解耦特性时，是协同作用。
进一步地，具体包括以下步骤：
S1、静息状态下，增加外界氢离子的浓度，当浓度增大超过阈值ɤ1时，间隙连接B率先解耦关闭，此时仅有A是开启状态；
S2、进一步增大氢离子浓度超过阈值ɤ2时，间隙连接A和B都因氢离子浓度过高发生解耦关闭；
S3、保持氢离子浓度在细胞生理范围内，增大钙离子的浓度，当钙离子浓度超过阈值ω时，间隙连接A、B均会恢复解耦；
S4、进一步增大钙离子浓度超过阈值ω1时，间隙连接A率先解耦关闭，此时仅有B是开启状态；
S5、继续增大钙离子浓度超过阈值ω2时，间隙连接A和B都因钙离子浓度过高发送解耦关闭；
S6、若一开始时，就需要间隙连接B开启，A解耦关闭，仅需直接增大钙离子浓度至ω1，这样就能直接实现关闭A打开B。
进一步地，所述步骤S1和S2时，钙离子的浓度在细胞生理范围内，且浓度低于阈值ω，间隙连接的解耦特性依赖于氢离子。
进一步地，所述步骤S3中增大钙离子的浓度能时，原本因氢离子作用下解耦关闭的间隙连接会重新耦合呈现打开状态。
进一步地，所述步骤S4和S5中氢离子浓度应在生理范围内，然后再在增大钙离子浓度，在间隙连接重新耦合的前提下，解耦关闭特性主要依赖于钙离子。
更进一步地，还包括钙离子和氢离子调控间隙连接的实质是调控细胞膜间隙连接的电导率，在生理作用下钙离子改变电导率才能使已解耦关闭的间隙连接重新打开，而且在打开后，受钙离子调控时这两个间隙连接对钙离子、氢离子作用下的解耦敏感性呈相反状态。
本发明的有益效果：本发明在信道切换的过程中，只需要根据间隙连接解耦关闭敏感特性。调控好外界钙离子和氢离子的浓度范围，即可实现分子通信细胞网络中信道的切换。本申请实现了细胞网络中控制信息分子作定向的传输，提高了分子通信信息传输的效率，解决了信息分子在细胞网络中扩散传输的难题；同时本申请的技术方案的实现基于钙离子和氢离子控制信道切换，这两种离子在生理环境下本就是新陈代谢重要的信使，都具有良好的生物兼容性，不会对细胞造成额外的负担，提高了在细胞网络中实施信道切换的可能性，减轻了在细胞网络中作信道切换对正常生理过程的干扰，普遍适用于药物分子或者其它信息分子的定向传输。
附图说明
图1是本发明一种分子通信中的信道切换方法
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明的技术方案为：一种分子通信中的信道切换方法，采用钙离子和氢离子两种离子对间隙连接的开闭进行调控。受调控的间隙连接会随外界钙离子和氢离子浓度升高而呈现解耦关闭状态，随这两种离子浓度降低而呈现耦合打开状态。
选取作信道切换的间隙连接对钙离子、氢离子的解耦关闭的浓度呈相反的敏感性。即钙离子浓度升高过程中由于间隙连接A对钙离子的敏感性比间隙连接B高，A先解耦关闭，B后关闭。氢离子浓度升高过程中由于间隙连接A对氢离子的敏感性比间隙连接B低，B先解耦关闭，A后关闭。
下面将选取三个细胞a、b、c组成最小的切换模型，细胞a为信号的发送方，细胞b、c为信号的接受方。把细胞a、b间的间隙连接称为A，细胞a、c间的间隙连接称为B。在细胞a的发送信号，在外界钙离子、氢离子调控间隙连接A、B开闭下，信号分子能分别地到达细胞b和细胞c，或都到达与都不到达，三个细胞的最小切换模型下有4种不同的切换接收状态。
如图1所示为本发明的方案流程图，在起始时可选择仅用一种离子控制，使得间隙连接A、B仅有一个打开，也可以适当调节钙离子、氢离子的浓度范围，使得间隙连接A、B动态的开闭。具体包括以下步骤：
S1、初始状态下，增加外界氢离子的浓度。当浓度增大超过阈值ɤ1时，间隙连接B率先解耦关闭，此时仅有A是开启状态。此时细胞a的信号分子仅能传输至细胞b。
S2、进一步增大氢离子浓度超过阈值ɤ2时，间隙连接A和B都因氢离子浓度过高发生解耦关闭。此时细胞a的信号分子既不能传输至细胞b也不能传输至细胞c。
S3、保持氢离子浓度在细胞生理范围内，增大钙离子的浓度。当钙离子浓度超过阈值ω时，间隙连接A、B均会恢复解耦。此时细胞b和c中均能接收细胞a传输而来的信号。
S4、进一步增大钙离子浓度超过阈值ω1时，间隙连接A率先解耦关闭，此时仅有B是开启状态。此时细胞a的信号分子仅能传输至细胞c。
S5、继续增大钙离子浓度超过阈值ω2时，间隙连接A和B都因钙离子浓度过高发送解耦关闭。此时细胞a的信号分子既不能传输至细胞b也不能传输至细胞c。
S6、若一开始时，就需要间隙连接B开启，A解耦关闭，仅需直接增大钙离子浓度至ω1，这样就能直接实现关闭A打开B。此时细胞a的信号分子仅能独立地传输至细胞c。
步骤S1和S2时，钙离子的浓度在细胞生理范围内，且浓度低于阈值ω，间隙连接的解耦特性依赖于氢离子。
步骤S3中增大钙离子的浓度能时，原本因氢离子作用下解耦关闭的间隙连接会重新耦合呈现打开状态。
步骤S4和S5中氢离子浓度应在生理范围内，然后再在增大钙离子浓度，在间隙连接重新耦合的前提下，解耦关闭特性主要依赖于钙离子。
在调控信号钙离子、氢离子的作用下，发送细胞a的信号能同时到达接收细胞b和c，能分别独立地到达接收细胞b或细胞c，能同时都不到达接收细胞b和c，实现了最小切换模型下的4种切换状态。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种分子通信中的信道切换方法，其特征在于，采用钙离子和氢离子两种离子对间隙连接的开闭进行调控，通过对外界钙离子和氢离子浓度升高而让受调控的间隙连接呈现解耦关闭状态，通过对外界钙离子和氢离子浓度降低而让受调控的间隙连接呈现解耦打开状态；选取做信道切换的间隙连接的解耦关闭对钙离子、氢离子的浓度呈相反的敏感性，即钙离子浓度升高过程中由于间隙连接A对钙离子的敏感性比间隙连接B高，A先解耦关闭，B后关闭，氢离子浓度升高过程中由于间隙连接A对氢离子的敏感性比间隙连接B低，B先解耦关闭，A后关闭，具体包括以下步骤：
S1、静息状态下，增加外界氢离子的浓度，当浓度增大超过阈值ɤ1时，间隙连接B率先解耦关闭，此时仅有A是开启状态；
S2、进一步增大氢离子浓度超过阈值ɤ2时，间隙连接A和B都因氢离子浓度过高发生解耦关闭；
S3、保持氢离子浓度在细胞生理范围内，增大钙离子的浓度，当钙离子浓度超过阈值ω时，间隙连接A、B均会恢复解耦；
S4、进一步增大钙离子浓度超过阈值ω1时，间隙连接A率先解耦关闭，此时仅有B是开启状态；
S5、继续增大钙离子浓度超过阈值ω2时，间隙连接A和B都因钙离子浓度过高发送解耦关闭；
S6、若一开始时，就需要间隙连接B开启，A解耦关闭，仅需直接增大钙离子浓度至ω1，这样就能直接实现关闭A打开B。
2.根据权利要求1所述的一种分子通信中的信道切换方法，其特征在于，还包括钙离子和氢离子在调控间隙连接时，当钙离子浓度低于某个阈值时，解耦特性以氢离子浓度调控为主，钙离子浓度高于某个阈值时，解耦特性以钙离子浓度调控为主，钙离子和氢离子之间不发生化学反应，在调控间隙连接耦合解耦特性时，是协同作用。
3.根据权利要求1所述的一种分子通信中的信道切换方法，其特征在于，所述步骤S1和S2时，钙离子的浓度在细胞生理范围内，且浓度低于阈值ω，间隙连接的解耦特性依赖于氢离子。
4.根据权利要求1所述的一种分子通信中的信道切换方法，其特征在于，所述步骤S3中增大钙离子的浓度能时，原本因氢离子作用下解耦关闭的间隙连接会重新耦合呈现打开状态。
5.根据权利要求1所述的一种分子通信中的信道切换方法，其特征在于，所述步骤S4和S5中氢离子浓度应在生理范围内，然后再在增大钙离子浓度，在间隙连接重新耦合的前提下，解耦关闭特性主要依赖于钙离子。
6.根据权利要求4所述的一种分子通信中的信道切换方法，其特征在于，还包括钙离子和氢离子调控间隙连接的实质是调控细胞膜间隙连接的电导率，在生理作用下钙离子改变电导率才能使已解耦关闭的间隙连接重新打开，而且在打开后，受钙离子调控时这两个间隙连接对钙离子、氢离子作用下的解耦敏感性呈相反状态。
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