基于激活—抑制理论的分枝模式并行生长系统建模及机理研究

发布时间：2017-05-23 16:34

  本文关键词：基于激活—抑制理论的分枝模式并行生长系统建模及机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于数学生物学的生物模式形成研究起源于1952年图灵开创性的反应-扩散理论。在图灵理论的基础上,Gierer和Meinhardt提出了激活-抑制模型,该模型可以应用于组织分化的生物模式问题中,并已得到大量的生物应用。关于几乎出现在所有高等生物发育过程中的分枝模式形成现象,Meinhardt用激活-抑制反应扩散理论给出了他的解释。由激活剂、抑制剂、底物等物质组成的反应扩散系统中,激活剂与抑制剂在底物的参与下进行自催化和交叉催化反应形成激活剂的局部高浓度信号,进而诱导细胞分化。分化了的细胞由于代谢作用致使激活剂的局部高浓度信号移向周围细胞并使其分化形成分枝的一部分。局部高浓度激活剂游走过的痕迹最终形成了分枝结构。 生物发育中的分枝模式并行生长现象,典型如血管与神经、肺血管与气道,两种类型的分枝在空间上紧密相邻,分枝相伴发生。这样的并行生长系统对于生物个体的正常生理功能十分重要,比如血管与神经网络的并行生长,一方面便于血管为神经提供氧气和营养物质,另一方面便于神经对血管的收缩和扩张进行生理调节。究竟是怎样的生物化学机制产生了并行生长现象?生物实验研究发现,通过转基因方法将小鼠肺血管去除后,肺气道分枝形态扁平,三维分枝结构受到严重抑制；在胚胎时期小鼠的肢体皮肤中,缺少周围神经导致动脉生成缺陷,而将周围神经分枝模式扰乱后,血管分枝模式也随之改变同时保持两者的并行生长。这些生物实验现象又该如何解释?由此,本文展开了基于Meinhardt激活-抑制分枝模型的并行生长系统建模及机理的研究。首先,通过对激活-抑制分枝模型进行数值仿真分析,并同生物研究发现的分子生物学机制结合起来对单个分枝模式形成机理进行研究。 并行生长系统中,两种类型的分枝间表现出相互吸引同时分枝在空间位置上独立生长现象。通过仿真发现,底物对分枝的生长方向具有驱动作用,分枝趋向于底物高浓度生长。进而,假设并行系统中两种类型分枝间通过互相产生对方需要的底物产生相互吸引作用。此外,引入局部排斥机制实现分枝在空间位置上的独立生长。 生物系统中的分枝模式形成过程中,存在所谓的生长尖端细胞对分枝延伸生长起着“引擎”作用,为此,进一步假设这种相互吸引与局部排斥分别由分枝尖端的抑制剂和激活剂产生。根据假设建立相应的数学模型并进行数值仿真,得到了分枝并行生长结果。 最后,为验证并行模型的有效性,对肺血管-气道、血管-神经并行生长现象进行了仿真研究。利用并行模型,通过三维数值仿真得到了肺血管-气道并行生长现象,并对生物实验中血管对肺气道三维分枝结构形成的影响进行了仿真解释。此外,对于胚胎时期小鼠肢体皮肤中发现的神经对血管分枝模式形成的引导作用,利用并行模型也得到了一致的仿真结果。由此,说明了本文提出的基于侧面相互吸引局部排斥机理的并行模型在一定程度上能够解释生物中并行生长现象。
【关键词】：并行生长 分枝模式形成 肺血管与气道 血管与神经
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：Q132
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-20
• 第一节 研究背景11-13
• 第二节 研究现状13-18
• 第三节 本文的主要工作及章节安排18-20
• 第二章 分枝模式形成的数学模型与分子生物学基础20-30
• 第一节 基于激活-抑制理论的分枝模式形成机理20-26
• 2.1.1 分枝模式形成的数学模型20-22
• 2.1.2 分枝的延伸生长22-24
• 2.1.3 尖端分枝和侧面分枝的形成24-26
• 第二节 激活-抑制分枝模型的分子生物学基础26-29
• 2.2.1 分枝延伸生长的分子生物学基础26-27
• 2.2.2 分枝定位的分子生物学基础27-28
• 2.2.3 分枝模式形成生物调节作用与数学模型参数调整28-29
• 第三节 小结29-30
• 第三章 分枝模式并行生长建模30-43
• 第一节 并行生长的分子生物学机制31-33
• 3.1.1 分枝组织间的相互吸引作用31-32
• 3.1.2 分枝组织间的吸引排斥引导因子32-33
• 第二节 基于侧面吸引局部排斥假设的并行生长建模33-42
• 3.2.1 分枝模型中底物的驱动作用33-35
• 3.2.2 并行系统中分枝模式相互吸引建模35-38
• 3.2.3 并行系统中分枝模式局部排斥建模38-42
• 第三节 小结42-43
• 第四章 基于并行模型的生物并行系统的仿真研究43-65
• 第一节 基于并行模型的肺血管-气道并行生长仿真研究44-60
• 4.1.1 血管分枝模式形成仿真研究44-47
• 4.1.1.1 血管分枝形成的激活-抑制机制44-46
• 4.1.1.2 MGP转基因小鼠血管分枝模式形成仿真46-47
• 4.1.2 气道分枝模式形成仿真研究47-51
• 4.1.2.1 气道分枝形成的激活-抑制机制47-48
• 4.1.2.2 气道分枝模式形成仿真48-51
• 4.1.3 肺血管-气道并行生长仿真研究51-54
• 4.1.3.1 并行模型对肺血管-气道仿真生物依据探讨51-53
• 4.1.3.2 肺血管-气道并行生长三维仿真53-54
• 4.1.4 肺间质对肺分支形态影响仿真研究54-57
• 4.1.5 血管对肺分枝形态影响仿真研究57-60
• 第二节 基于并行模型的血管-神经并行生长仿真研究60-64
• 4.2.1 血管-神经并行生长的分子生物学机制60-61
• 4.2.2 神经引导血管分枝模式仿真61-64
• 第三节 小结64-65
• 第五章 结论与展望65-67
• 第一节 结论65-66
• 第二节 展望66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 个人简历、学术论文与研究成果71

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;Wave Instability and Spatiotemporal Chaos in Reaction-Diffusion System with Oscillatory Dynamics[J];Communications in Theoretical Physics;2006年01期

2 於崇文;成矿动力系统在混沌边缘分形生长——一种新的成矿理论与方法论(上)[J];地学前缘;2001年03期

3 庞英武 ,刘天一;颞部骨块的形态形成过程中的周期振动[J];广西师范大学学报(自然科学版);1987年02期

4 P.Dziekan;L.Signon;B.Nowakowski;A.Lemarchand;;Effect of a Local Source or Sink of Inhibitor on Turing Patterns[J];Communications in Theoretical Physics;2014年10期

5 缪锦峰;吴仟;曹磊;曹文波;莫赛军;;GDNF和ARTN及其受体与消化系统肿瘤嗜神经侵袭的关系[J];癌变·畸变·突变;2015年01期

6 丁达夫,徐京华;THE SYMMETRY BREAKING IN LIVING SYSTEMS——THE SELECTION RULES, SENSITIVITY AND CHIRALITY MATCHING[J];Science in China,Ser.B;1985年03期

7 丁达夫,徐京华;生命系统的对称性破缺——选择定则、灵敏度和手性匹配[J];中国科学(B辑 化学 生物学 农学 医学 地学);1984年07期

8 丁建中;Activator-Inhibitor模型的古典整体解[J];南京理工大学学报(自然科学版);1992年03期

9 苗亮英;张睿;刘志琳;卢雪丽;;一类激活剂-抑制剂反应扩散模型的定性分析[J];兰州交通大学学报;2013年04期

10 吴建华,李艳玲;饱和Activator-Inhibitor模型柯西问题的整体解[J];系统科学与数学;1998年04期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 ;Theoretical model for pigmentation pattern formation in biological systems[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 罗雪;来自物理和生物中的一些偏微分方程问题[D];华东师范大学;2011年

2 曾晶;奇异摄动方程解的存在性和临界值估计[D];福建师范大学;2010年

3 张嘉防;几类反应扩散系统的分歧周期解和Turing模式[D];兰州大学;2011年

4 王艳娥;两类生物模型的定性分析及数值模拟[D];陕西师范大学;2011年

5 周军;非线性发展方程的平衡态模式和解的渐近性质研究[D];重庆大学;2011年

6 彭锐;几类捕食模型平衡态模式的定性分析[D];东南大学;2006年

7 王阳;一类奇异摄动椭圆方程解的集中现象[D];华东师范大学;2007年

8 赵纯奕;奇摄动椭圆型方程解的集中现象[D];华东师范大学;2008年

9 魏美华;两类三分子自催化模型的分歧和稳定性[D];陕西师范大学;2012年

10 李成林;反应扩散种群系统解的存在性及定性分析[D];西南大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 吕启;仿生自组织计算阵列体系结构关键技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

2 刘俊荣;化学反应扩散系统平衡态的稳定性与斑图[D];陕西师范大学;2004年

3 张磊;非线性捕食系统时空复杂性研究[D];中北大学;2008年

4 王翠芳;两个反应扩散方程的非常数正解[D];天津大学;2007年

5 王战;大气压下空气中气流对介质阻挡放电的影响[D];大连理工大学;2008年

6 张丽娜;Lengyel-Epstein模型中分歧解的性质分析[D];陕西师范大学;2008年

7 谢茂金;忠于植物学的植物结构表示、简化与绘制[D];北京林业大学;2009年

8 宋妮;两类脉冲传染病模型和具有Watt型功能性反应捕食系统的研究[D];中北大学;2009年

9 高雪娇;道路干扰下的生态系统空间特性研究[D];北京交通大学;2010年

10 王玉霞;一类食饵—捕食系统的Turing不稳定性和模式生成[D];兰州大学;2010年

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本文编号：388520