Bağırsak-beyin ekseni'nin bilgi ve iletişim kuramsal modellemesi ve analizi

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.