高原环境对急进人群影响效应的集成研究

发布时间：2018-02-11 22:20

  本文关键词： 高原 急性生物学效应 综合集成 信息计量 复杂系统 缺氧响应网络　出处：《第三军医大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：我国高原面积广阔,政治、经济、军事价值重大,随着经济社会发展进步,对高原的开发拓展需求不断增加,尤其是在特定情境下,批量人群需要短时间内由较低海拔平原地区进入高原地区开展相应活动。高原地区低氧、低气压、强紫外线等特殊环境因素对人造成了多个层面、不同程度的影响效应,损害了人的身心健康,降低了人在高原地区的作业能力,在宏观层面体现为高原环境对急进人群的一种急性不良的生物学影响效应。目前,在高原急性生物学效应科学问题的相关研究领域,绝大多数业已进行的研究工作局限于各自的具体的生命科学与医学研究领域,并且沿用传统的基于还原论的研究方法,在传统的生命科学和医学的经典研究框架下纵向深入开展,跨越学科领域的横向集成研究开展尚少,研究领域之间的研究工作及其成果缺乏有效的系统集成,限制了研究成果整体效益的发挥与转化,阻碍了对相关问题的更加全面和深入的认识。本课题旨在以生命科学与医学领域的相关研究工作为基础,以综合集成体系为理论框架,将高原环境对急进人群的生物学影响效应问题作为复杂系统问题,系统融合多学科领域的理论与技术,从问题发现、问题认识和问题解决三个维度进行系统工程化集成研究的探索与实践。研究内容(一)高原影响效应科学问题发现研究基于专业信息检索获取了急性高原病研究情况数据,并对这些数据进行了清洗、转化和抽取,在此基础上,从总体情况、数量分布和发展趋势三个方面分析了急性高原病研究的时间演化,构建了具备较好拟合优度的研究发展趋势拟合模型,从研究者和研究机构两个方面分析了急性高原病研究的主体,从热点关键词和核心文献两个方面分析了急性高原病的研究热点。(二)高原影响效应科学问题认识研究1.缺氧响应网络结构组成分析确定了HIF-1信号通路的总体网络和核心网络。从定性方面分析了网络节点和连线等网络元素的生物学含义,从定量方面计算得到了节点与连线数量分布、中心性和凝聚子群等的量化指标,构建了核心网络的幂律拟合模型。2.缺氧响应网络动态演化分析构建了缺氧响应核心网络形式化结构模型,对网络在正常环境与极端环境下的随机性和并发性等动态演化行为进行了仿真分析,确定了网络中HIF、O2等反应物的时变演化规律,验证了模型的有效性。(三)高原影响效应科学问题解决的工程实践方案设计从资源形式上对影响效应的研究资源进行了类别划分和具体界定,从性能指标和异构性兼容方面分析了方法资源集成需求,从资源访问、内容建设和平台拓展方面分析了知识资源集成需求。在此基础上,从组成要素方面讨论了方法资源集成的架构的设计,从主要功能方面讨论了方法资源集成的Web服务设计;从内容组织层次方面讨论了知识资源集成的架构设计,从表现形式、资源描述、界面导航、协同编辑和分面搜索等方面讨论了知识资源集成的功能设计,分析了知识资源集成的软件设计模式、知识管理建设模式和知识更新机制。研究方法第一,专业信息检索及分析处理方法:运用专业信息检索及分析处理方法对急性高原病研究情况数据进行分析处理。第二,时间序列分析方法:运用时间序列分析方法分析急性高原病研究随时间发展演化的规律。第三,内容分析、关系分析、多元统计分析及社会网络分析等方法:综合运用这些方法分析急性高原病的研究主体和研究热点。第四,复杂网络分析方法:运用复杂网络分析方法分析缺氧响应网络的结构组成特性。第五,随机Petri网综合集成建模仿真方法:运用随机Petri网方法分析缺氧响应网络的动态演化特性。第六,信息系统分析与设计方法:运用信息系统分析与设计方法分析影响效应研究资源集成功能需求,设计资源集成方案。研究结果高原急性生物学效应研究的发展呈现指数上升趋势,符合信息计量学的增长规律。高原急性生物学效应研究主体组成了特定性质的合作网络。以缺氧为代表的机理机制研究是研究关注的焦点之一,基于研究关键词的研究主题共现网络以及以核心文献为载体的研究文献共引网络构成了影响效应研究的知识网络。基于信息计量的影响效应问题发现集成研究立足宏观视角对影响效应问题进行了再度发掘。通过构建趋势拟合模型,可实现对影响效应研究发展趋势的精确化预测;通过知识图谱的绘制,可实现对影响效应研究线索的科学、高效梳理。这种基于信息计量的集成研究为开展影响效应问题的集成研究确立了方向,同时也为高原急性生物学效应研究领域相关研究探索出快速精准把握研究方向的可行路径。以mTOR酶为代表的反应物对于HIF-1信号传导具有关键的影响力。HIF-1信号通路核心网络中存在蝴蝶结构,该结构包含强连同核心、输入以及卷须状结构三种类型的组成部分。核心网络的幂律拟合模型具有较好的拟合效果,证明了HIF-1信号通路核心网络具有无标度特性,属于较为典型的复杂网络。基于复杂网络的缺氧响应网络结构组成分析是立足系统视角从结构组成方面对影响效应核心问题的再度认识。通过对网络结构进行定性与定量的集成分析,可以快速确定网络中的关键反应物、核心组成部分及重要的功能单元;通过网络的幂率拟合模型的构建与分析,可验证课题的假设和并丰富现有研究结论,为基于复杂网络的影响效应生物路径等领域深入研究提供理论依据。基于随机Petri网的缺氧响应核心网络仿真模型可以较为客观地描绘以O2浓度与HIF活性的动态演化关系为代表的缺氧响应网络的动态演化行为,是研究高原急性生物学效应的一种可行且有效的仿真模型。基于随机Petri网的缺氧响应网络动态演化分析是立足系统视角从动态演化方面对影响效应核心问题的再度认识。基于随机Petri网的建模仿真分析方法,可以构建影响效应的相关生物网络的可执行仿真模型,模拟各反应物的时间演化规律,预测其发展趋势;可以通过模型的参数设定对极端环境进行模拟仿真,摆脱现场实验室条件的束缚;可以实现对现有生物医学研究结论的验证和丰富;可为高原急性生物学效应领域的模型化集成研究探索可行的路径,奠定研究的基础。基于面向影响效应研究资源集成的智能信息化工程实践方案,可以进一步构建智能化影响效应研究资源集成平台,为相应的综合集成研讨厅体系的构建提供灵活高效的服务资源支撑以及丰富完善的信息资源支撑,为实现以缺氧为代表的机理机制问题等影响效应相关研究领域的成果资源整合以及专家团体的经验与智慧的升华,促进对影响效应相关科学问题的认识朝广度和深度两个维度的新发展提供有了力的支持。综上,本课题致力于探索高原急性生物学效应科学问题的集成研究范式,侧重于从宏观层面将影响效应科学问题作为一种整体性的复杂系统科学问题进行研究。课题针对此问题的发现、认识和解决探索出基于信息计量、建模仿真等一系列高原急性生物学效应系统工程化集成研究方法与模式,丰富完善了高原卫勤保障研究的理论与技术体系,对于其他生物医学领域的研究也具有参考借鉴意义。
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【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R594.3;R-05
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本文编号：1504135