Information and communication theoretical modeling and analysis of the gut-brain axis
Bağırsak-beyin ekseni'nin bilgi ve iletişim kuramsal modellemesi ve analizi
- Tez No: 983109
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bağırsak-beyin ekseni (BBE), insan vücudunda bulunan en karmaşık ve hayati haberleşme ağlarından birisidir. Ancak, geleneksel yaklaşımların vücut içi haberleşmenin stokastik, doğrusal olmayan ve çok ölçekli doğasını yakalamada yetersiz kalması nedeniyle, bu eksendeki sinyal mekanizmalarının nicel olarak anlaşılması henüz tam olarak sağlanamamıştır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için en umut verici yaklaşım Moleküler Haberleşme'dir (MH). Biyolojik sinyalleşmenin bilgi ve iletişim kuramı perspektifinden ele alınması, bu sistemlerin temel dinamikleri hakkında içgörü sağlar. Bu nedenle bu tez, BBE için kapsamlı ve niceliksel bir haberleşme çerçevesi oluşturmak amacıyla MH ilkelerini uygulamaktadır. Bu amaç doğrultusunda tez, temel bir tekil kanaldan başlayıp bütünleşik ve çift yönlü bir haberleşme ağına uzanan kademeli bir ilerleyişle, BBE'ne ilişkin çok ölçekli bir kavrayış inşa etmektedir. Araştırma ilk olarak, tek bir mikrobiyal metabolitin (p-cresol) yayılımı için bir kanal modeli geliştirerek bu kanalın dürtü yanıtını türetmekte ve bağırsak disbiyozu ile nörolojik bir sonuç arasındaki nedensel ilişkiyi ortaya koymaktadır. Ardından çalışma, moleküler düzeyden nöral iletime uzanan bütünleşik bir uçtan uca model geliştirerek kısa zincirli yağ asitleri ile uyarılan vagus sinir yolunu modellemekte ve bu haberleşme kanalının bilgi-kuramsal performansını nicel olarak ölçmektedir. Son olarak çalışma, hipotalamus-hipofiz-adrenal ekseni, bağışıklık sistemi ve bağırsak bariyeri arasında kapalı döngü geri bildirimini içeren, BBE'deki çift yönlü haberleşmeye yönelik özgün bir sistem-düzeyi model ile çalışma tamamlanmaktadır. Geliştirilen bu model sistemin patolojik bir duruma geçişini analiz etmek ve buna eşlik eden kanal kapasitesi kaybını ölçmek için kullanmaktadır. Sonuç olarak, bu tezde geliştirilen haberleşme çerçevesi, BBE'ni oluşturan temel sinyal mekanizmalarını çözümlemek için gerekli araçları sağlamaktadır. Bu sayede, sinyal akışındaki bozulmaların hastalıkların oluşum ve ilerleyişine olan etkisinin detaylı bir şekilde analiz edilmesine olanak tanımaktadır. Elde edilen bu derinlemesine ve niceliksel anlayış, haberleşme hatalarını tespit edip onarmak üzere tasarlanmış, bilgi ve iletişim teknolojilerinden (BİT) ilham alan yeni nesil tanı ve tedavi stratejileri için bir yol haritası sunarak geleceğin tıp teknolojilerine zemin hazırlamaktadır. Dahası bu çalışma, vücuttaki sağlıklı bilgi akışını yeniden sağlamayı amaçlayan gelecekteki Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti (BNNİ) uygulamaları için gerekli olan temel teorik altyapıyı oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
The gut-brain axis (GBA) represents one of the most sophisticated and crucial communication networks in the human body. However, a quantitative understanding of its signaling mechanisms has remained elusive, as conventional approaches fail to capture the inherently stochastic, nonlinear, and multi-scale nature of intra-body communication. The most promising paradigm to address these challenges is Molecular Communication (MC). Understanding biological signaling from an information and communication theoretical perspective provides insight into the fundamental dynamics of these systems. Therefore, this thesis applies MC principles to the GBA to establish a comprehensive and quantitative communication framework. Building on this objective, the thesis constructs a multi-scale understanding of the GBA through a deliberate progression from a foundational single channel to a complete, bidirectional communication network. The research first develops a channel model for the propagation of a single microbial metabolite (p-cresol), deriving its impulse response and linking gut dysbiosis to a neurological outcome. It then advances the analysis to a complete end-to-end model of molecular-to-neural communication, modeling the short-chain fatty acid (SCFA)-driven vagal nerve pathway and quantifying its information-theoretic performance. Finally, the work culminates in a novel system-level model of the bidirectional communication within GBA that incorporates closed-loop feedback between the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, immune system, and gut barrier. This framework is used to analyze the system's transition into a pathological state and quantify its corresponding loss of channel capacity. Collectively, the developed communication framework provides the tools to unravel the fundamental signaling mechanisms within the GBA, allowing for a detailed analysis of how signaling disruptions contribute to disease progression. This in-depth, quantitative understanding creates a foundation for a new generation of medical technologies, providing a roadmap for ICT-inspired diagnostic tools and therapeutic strategies to detect and repair communication failures. Furthermore, it lays the essential theoretical groundwork for future Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) applications to restore healthy information flow within the body.
Benzer Tezler
- An information and communication theoretical analysis of the nervous system towards internet of nano-bio things
Nano-biyo nesnelerin internetine doğru sinir sisteminin bilgi ve iletişim kuramsal analizi
NAVEED AHMED ABBASI
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Prof. Dr. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Information and communication theoretical modeling, design, and analysis of heterogeneous nanoscale communication channels
Heterojen nano-ölçekli haberleşme kanallarının bilgi ve iletişim kuramsal modellemesi, tasarımı ve analizi
DENİZ KILINÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Communication theoretical modeling and analysis of neuronal communication with synaptic plasticity
Sinaptik plastisite ile nöro-spike iletişimin iletişim teorik modellemesi ve analizi
TOOBA KHAN
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Bilişim teknolojilerinin konaklama işletmeleri performansına etkileri: Beş yıldızlı otellere yönelik bir araştırma
The effects of information and communication technologies in the performance of hospitality organizations: A research undertaken in five star hotels
ALİ ŞÜKRÜ ÇETİNKAYA
- Çevrimiçi toplantı araçlarını kullanma niyetini etkileyen faktörlerin teknoloji kabul modeli ile incelenmesi ve yapısal eşitlik modeli analizi
Examination of the factors affecting the intention to use online meeting tools with technology acceptance model and structural equation model analysis
MEHMET TAŞ
Doktora
Türkçe
2024
Yönetim Bilişim SistemleriSakarya ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER KİRAZ