复杂生物节律模型调频调幅方法技术

本发明专利技术属于复杂系统生物节律调控技术领域，具体涉及复杂生物节律模型调频调幅方法。本发明专利技术首先提供基于动力学理论的复杂生物节律模型

【技术实现步骤摘要】
复杂生物节律模型调频调幅方法


[0001]本专利技术属于复杂系统生物节律调控
，具体涉及复杂生物节律模型频调幅方法。

技术介绍

[0002]近年来，生物节律被证明与人类的健康息息相关，受到了越来越多科研人员的重视。除了人们熟知的昼夜节律(周期约24小时)，生物体内所展现的其他有节奏的规律性变化都可以被统称为生物节律，例如：神经元的动作电位、基因
‑
蛋白转录翻译过程、维持生命的心跳等。生物节律的频率和振幅作为两个重要的物理量分别决定了上游信号的特征和强度，并进一步影响下游活动。因此，由于各种原因所导致的不正常的频率或振幅会造成节律紊乱进而引起各种生理疾病，如：睡眠障碍、二型糖尿病、肥胖等。所以，如何精确调控生物节律的频率和振幅使其恢复正常成为了一个重要的科学问题。
[0003]同时，节律现象并不局限于有机体，也时常在城市运行过程中涌现，例如：早晚高峰的交通流量、疾病的传播、生态环境的质量波动以及城市用电及其它能源消耗等。从城市生命体的角度出发，针对诸如大型园区的近零碳运行等问题，可以使用复杂系统理论工具进行刻画及研究，利用好园区能源生产、分配及使用中的节律特征将是实现近零碳运行的重要突破口。因此，精准调控复杂系统节律这一研究方向也将解决更多实际问题。
[0004]传统的节律调控算法往往依赖于复杂系统的具体形式以及试错法实验：早期，就有学者通过大规模计算，开创性地研究了频率和振幅可调性与节律系统反馈回路模式之间的联系；近期，也有学者提出了一些生物学上可行的频率振幅控制器，通过计算也给出了验证。常见的算法包含以下几类：1、改变系统单一参数，其调控范围未知，不一定实现独立调频调幅，且无法精确调控；2、重新设计生物调控网络，其实验损耗较大，普适性有待验证；3、进行大量滴定实验，需要较多的时间成本与实验成本。因此，有关生物节律频率和振幅的调控尚缺少系统性、普适性的理论进展，更为重要的是，仍然缺少一种基于数学理论的计算方法用于提前设计能够在复杂时空系统精确调节频率振幅的控制器，最终实现生物系统的振荡可调可控。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术的缺陷，将生物、工程等应用科学问题与动力学方法紧密结合，提出一种复杂生物节律模型以及该复杂生物节律模型的调频调幅方法，实现频率振幅的可算可控，为生物节律调频调幅的实验性研究提供支撑。
[0006]本专利技术首先提供一种基于动力学理论的复杂生物节律模型
‑‑“
建模
‑
调控
‑
实验”理论模型，其节律调控工作流程参见图1所示。首先，对于一个复杂生物节律系统，通过已知生化反应网络机制进行定量生物学理论动力学模型的建立。其次，通过数学手段，针对生物系统与独立调频/调幅目标，设计合理可靠的调控反馈策略，实现模型上的生物节律的调控。再次，将理论得到的调控方法复现到生物实验中，验证调控的有效性。最后，获得特定实
验条件下的真实数据，对生物理论数学模型进行调整与修正。至此，完成“建模
‑
调控
‑
实验
‑
建模”的循环。
[0007]基于上述复杂生物节律模型，本专利技术提供一种复杂生物节律模型频调幅方法，可对任意拥有Hopf分岔附近振荡的生物系统进行调控策略设计，其流程参见图2所示；具体步骤为：
[0008]步骤1：初始化与实际生物问题对应的、具有Hopf分岔的定量生物学常微分动力系统：
[0009][0010]其中，代表生物系统的n个变量，例如蛋白质浓度、miRNA浓度、酶浓度、离子通道电压等，均随着时间t而周期性波动；为生物系统中的m个参数，例如降解速率、转录速率、翻译速率、电流强度等，通常不随时间变化；具有Hopf分岔的常微分动力系统存在分岔点α＝α
*
，其生物学含义是生物系统中周期振荡产生与消失的临界参数组；该生物系统存在一个稳定的周期解x
c
(t)；选定一个变量如x1(t)作为调控对象，其生物学含义例如：振荡的基因调控网络中某种特定的蛋白质(浓度)；调控对象(如x1(t))的频率和振幅一般记为F及A。
[0011]步骤2：确定调控生物量对应的初始频率和振幅，分别记为F0及A0，确定调控目标：
[0012]独立调频，即在保持振幅A0不变的同时，改变频率F；可以设置具体目标频率值F*；或
[0013]独立调幅，即在保持频率F0不变的同时，改变振幅A；可以设置具体目标振幅值A*。
[0014]步骤3：由等式f(x,α)＝0计算生物系统的平衡状态并对常微分动力系统进行泰勒展开，得到一般线性展开形式：
[0015][0016]其中，为生物动力系统的线性部分，G(x；α)为生物动力系统的二次项与三次项部分，为生物动力系统其余的非线性部分。
[0017]步骤4：设计可用于生物系统的控制器；
[0018](1)线性控制器形式(以二维系统为例)为：
[0019][0020]其施加在步骤3中生物动力系统的线性部分，J
ij
为第j个生物量对第i个生物量的线性控制强度；以上线性控制器需要满足平衡点不变性(即，生物系统的平衡状态不变)条件：
[0021]J
11
+J
22
＝0，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]以及尺度不变性(即，所有振荡生物量的振幅比例不变)条件：
[0023]J
12
/J
21
＝a
12
/a
21 ；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0024](2)非线性控制器形式(以二维系统为例)为：
[0025][0026]其施加在步骤3中生物动力系统的二次项与三次项部分，为第j个生物量对第i个生物量的k次项控制强度，该控制强度通常与生物系统中的参数α相关；该控制自动满足上述步骤4(1)中的平衡点不变性条件和尺度不变性条件；
[0027]以上两种控制器可根据实际情况结合使用。
[0028]步骤5：根据实际生物意义与操作空间，设计控制器的实验近似形式；
[0029]例如，利用生物系统中常见的希尔函数(Hill function，常见于酶促反应)近似线性或非线性控制器，通过改变原生物系统中的反应强度或生成速率或者设计新生物反馈机制以实现生物形式的控制器设计。
[0030]步骤6：结合控制器，给出受控系统的规范型形式如下：
[0031][0032]其中，w表示约化后的二维中心流形，表示中心流形w的共轭，λ为原生物系统的特征值，η为与原生物系统相关的复杂量；并计算添加线性或/和非线性控制器后，对于待定的反馈控制，频率与幅度的解析形式：
[0033]F＝F(u)，A＝A(u).
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂生物节律模型频调幅方法，其特征在于，具体步骤为：步骤1：初始化与实际生物问题对应的、具有Hopf分岔的定量生物学常微分动力系统：其中，代表生物系统的n个变量，均随着时间而周期性波动；为生物系统中的m个参数，包括降解速率、转录速率、翻译速率、电流强度，通常不随时间变化；具有Hopf分岔的常微分动力系统存在分岔点α＝α
*
，其生物学含义是生物系统中周期振荡产生与消失的临界参数组；该生物系统存在一个稳定的周期解x
c
(t)；选定一个变量如x1(t)作为调控对象，其生物学含义包括振荡的基因调控网络中某种特定的蛋白质浓度；调控对象的频率和振幅记为F及A；步骤2：确定调控生物量对应的初始频率和振幅，分别记为F0及A0，确定调控目标：独立调频，即在保持振幅A0不变的同时，改变频率F，具体设置具体目标频率值F*；或独立调幅，即在保持频率F0不变的同时，改变振幅A，具体设置具体目标振幅值A*；步骤3：由等式f(x,α)＝0计算生物系统的平衡状态并对常微分动力系统进行泰勒展开，得到线性展开形式：其中，为生物动力系统的线性部分，G(x；α)为生物动力系统的二次项与三次项部分，为生物动力系统其余的非线性部分；步骤4：设计可用于生物系统的控制器；(1)二维线性控制器形式为：其施加在步骤3中生物动力系统的线性部分，J
ij
为第j个生物量对第i个生物量的线性控制强度；以上线性控制器满足平衡点不变性条件：J
11
+J
22
＝0，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)以及尺度不变性条件：J
12
/J
21
＝a
12
/a
21
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(2)二维非线性控制器形式为：其施加在步骤3中生物动力系统的二次项与三次项部分，为第j个生物量对第i个生物量的k次项控制强度，该控制强度通常与生物系统中的参数α相关；该控制器自动满足上述步骤4(1)中的平衡点不变性条件和尺度不变性条件；以上两种控制器可根据实际情况结合使用；步骤5：...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦伯韡，仲昭月，林伟，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：