基于Petri網(wǎng)的生物系統(tǒng)建模.pdf

1、生物模型可以模擬系統(tǒng)行為，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未知的行為和特性，從而測(cè)試生物學(xué)家提出的假設(shè)，進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法達(dá)到或非常耗時(shí)耗力的模擬實(shí)驗(yàn)，它們與生物實(shí)驗(yàn)相輔相承，使得生物系統(tǒng)的研究更加事半功倍。
　　目前已有的生物系統(tǒng)建模方法包括微分方程的定量建模方法、定性的建模方法、基于約束的建模方法及基于進(jìn)程代數(shù)的建模方法。每一類方法都各有其利弊，本文將嘗試使用Petri網(wǎng)類方法對(duì)生物系統(tǒng)建模。
　　Petri網(wǎng)類方法既有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述方式，也

2、有直觀的圖形表達(dá)方式。其中混合Petri網(wǎng)(HPN)同時(shí)具備離散和連續(xù)元素，從而能夠結(jié)合定性和定量?jī)煞N類型的建模方法。此外，Petri網(wǎng)類方法還具有并發(fā)性，這些都使得它成為生物系統(tǒng)建模的良好工具。
　　本文首先對(duì)Petri網(wǎng)在生物應(yīng)用方面的幾個(gè)代表性的擴(kuò)展進(jìn)行了介紹，并將Petri網(wǎng)類方法應(yīng)用到一個(gè)全新的領(lǐng)域：分子神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性使其成為生物學(xué)中最難研究的課題之一。包含電化學(xué)作用的離子通道本身是神經(jīng)生物學(xué)中最具特點(diǎn)的系統(tǒng)

3、，而腎上腺素系統(tǒng)對(duì)于很多神經(jīng)功能都有調(diào)節(jié)作用，并且在所有神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)中非常典型。本文中，我們基于現(xiàn)有模型混合功能Petri網(wǎng)(HFPN)分別對(duì)離子通道和。腎上腺素系統(tǒng)進(jìn)行了建模。模型中表明，HFPN能夠很自然地描述神經(jīng)系統(tǒng)中的元素，模擬結(jié)果也和真實(shí)生物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果十分接近。進(jìn)一步，我們還基于腎上腺素系統(tǒng)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果從一定程度上可以增進(jìn)我們對(duì)腎上腺素系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。這些工作不僅開(kāi)拓了Petri網(wǎng)類方法的應(yīng)用領(lǐng)域，也嘗試了一種新的研究神

4、經(jīng)系統(tǒng)行為的方法。
　　另一方面，我們對(duì)有色Petri網(wǎng)(CPN)作了擴(kuò)展，引入腔室位置信息，將令牌上的顏色(單色)和其所處的腔室環(huán)境對(duì)應(yīng)起來(lái)，提出樹(shù)型有色Petri網(wǎng)(CTPN)。文中給出了CTPN的形式化定義和運(yùn)行規(guī)則，提出并解決了CTPN的正反問(wèn)題和兼容匹配問(wèn)題，并研究了它的多種活性。此外，我們還用腎上腺素系統(tǒng)的例子表明CTPN模型能夠有助于我們發(fā)現(xiàn)一些普通CPN模型無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。
　　最后我們對(duì)Petri網(wǎng)類方法的