基于外源激活剂的血管间质细胞的模式仿真与数学分析

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对于生物模式的研究,生物实验的这种研究手段固然是必须的,但是生物实验从时间和经济成本来说都是一个很大的支出,苛刻的生物实验条件给实验结果带来了很多的不确定性,因此采用生物数学和计算机仿真的手段探究生物模式的机理及规律就很有必要了。数学分析和计算机仿真同时也是对生物实验的一个验证和补充。生物数学的方法起源于1952年阿兰·图灵提出的反应扩散系统。计算机仿真对生物模式的研究也是一个很好的手段,计算机仿真可以有效地完成对生物模式的预测。如果把数学上的理论分析与计算机的仿真结果有效相结合,那么这对于生物实验来说,是一个非常有力的参照,并且能有效的降低生物实验的经济成本和实验成本。另外,计算机仿真和数学分析相结合还能解决因数学理论不太成熟而无法解释的问题。理论分析与计算机仿真对生物模式的预测可以为生物实验的设计提供有效的参考和指导。  本文采用了计算机仿真和数学分析两种手段,对血管间质细胞的生物模式进行了基于外源激活剂的探索。外源激活剂是一种由实验员从外部添加的一种化学试剂,而并不是细胞自身分泌物质,这对于生物实验的控制来说增加了很多的便利,增强了实验操作性。  本文主要基于的数学模型是由Alan Garfinkel在2004年基于Gierer和Meinhardt提出的激活—抑制模型建立的两个方程的模型,以及由本课题小组在引入细胞运动机制的基础上建立的激活—抑制—细胞三方程模型。在此基础上,在模型中引进外源激活剂H项。  本文首先探索了激活-抑制模型中基于外源激活剂H的图灵空间的计算,并给出了在此空间中计算机仿真的图灵模式的结果图;基于图灵分岔的本质,本文还探索了激活剂与抑制剂扩散速率的比值对图灵模式的影响规律;进一步,对这些图灵模式中比较典型的四种图灵模式:点模式、条纹模式、迷宫模式和孔洞模式进行了时空响应分析,并给出了以这四种典型模式为初始模式的图灵二级分岔模式的仿真结果图,展现了系统的多稳态特性,其中得到的小孔洞模式对于骨密质的而研究有潜在的意义。对于引进细胞运动机制的激活—抑制—细胞模型,由于三个方程的反应扩散系统对于图灵模式的研究还没有成熟的数学理论基础,以往采用提取其中前两个方程进行图灵空间分析来代替三个变量的模型的图灵空间,即通过化简模型的方式进行计算。本文在指出该图灵空间的计算方法不足的同时,给出了一种通用的思路,即采用化简的系统的色散关系(dispersion relation)图,探究三个变量的反应扩散系统的图灵空间范围,以及基于外源激活剂对加入细胞运动机制的血管间质细胞的图灵模式的影响规律。  本文还就外源激活剂对以往化简模型的方法预测三个变量的系统的影响进行了探索,并且给出了外源激活剂的值比较小时可以采用简化模型的方法计算图灵空间,但当值比较大时怎会给出错误的判断,不能采用化简模型的方法。
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