Введение. Компьютерное моделирование физиологических, морфологических, молекулярно-генетических и биохимических процессов

Компьютерное моделирование физиологических, морфологических, молекулярно-генетических и биохимических процессов. Принципы создания математических моделей фармакокинетических, физиологических и других процессов, протекающих в организме человека, для последующего их использования в составе автоматизированных систем поддержки принятия врачебных решений. Виды математических моделей.

Хронокарта практического занятия

№ п/п	Этапы практического занятия	Продолжи-тельность (мин)	Содержание этапа и оснащенность
1.	Организация занятия		Проверка посещаемости и внешнего вида обучающихся
2.	Формулировка темы и целей		Озвучивание преподавателем темы и ее актуальности, целей занятия
3.	Контроль исходного уровня знаний, умений		Тестирование, индивидуальный устный или письменный опрос, фронтальный опрос.
4.	Раскрытие учебно-целевых вопросов по теме занятия		Изложение основных положений темы.
5.	Работа на практическом занятии		Работа: Изучение учебной литературы Работа по визуализации и изучению трехмерной структуры различных биохимических соединений.
6.	Итоговый контроль знаний (письменно или устно)		Контрольные вопросы, оценивание выполненного упражнения
7.	Задание на дом (на следующее занятие)		Учебно-методические разработки следующего занятия, и методические разработки для внеаудиторной работы по теме
Всего:

7. Аннотация (краткое содержание темы).

С самого начала научного подхода к познанию окружающего мира, математические модели использовались, чтобы придать нашим идеям простую и точную форму с целью предсказывать события в постоянно изменяющемся окружении. Физические науки достигли значительных успехов, прежде всего, с использованием количественных моделей в научном методе как средства для формулирования гипотез.

Методы, которые разрабатываются для применения математических моделей биологических систем в компьютерных имитационных исследованиях, позволяют выдвигать гипотезы относительно физиологии, морфогенеза, фармакологии, и токсикологии живых систем. Также становится возможным экстраполировать результаты полученные в экспериментах на клетках и тканях in vitro на контекст всего организма. Оснащенные современной вычислительной техникой математические модели, имитирующие физиологические и фармакологические процессы используются для теоретических проверок гипотез относительно влияния локальных физиологических и фармакологических эффектов на организм в целом. Построенная модель служит в качестве объекта исследований для исследователей заинтересованных в изучении возможных эффектов фармакологических или токсичных субстанций. Таким образом, удается избежать избыточных экспериментов над лабораторными животными.

Математическое моделирование и анализ систем успешно используются в фармакологии и физиологии с целью лучше понять и выразить количественно идеи о взаимодействиях, происходящих среди сложнейших биосистем. Такие модели часто средством формального построения гипотез относительно предлагаемых механизмов физиологического функционирования. Использование гипотез в компьютерных имитационных исследованиях может дать понимание взаимодействий физиологических переменных, которое может не быть интуитивно очевидным.

Одной из главной целей всемирных организаций по охране животных является уменьшение количества подопытных животных используемых в медико-биологических исследованиях. Хотя вряд ли когда-нибудь компьютерные имитационные модели полностью заменят эксперимент на животном, они могут послужить в качестве средств для рационального планирования исследований проводимых на лабораторных животных. Рациональное исследование может быть выполнено с использованием алгоритма такого как, например, изображенного на рисунке.

В предлагаемой схеме есть постоянное взаимодействие между информацией, полученной из исследований in vitro, теоретическими соображениями, и обобщениями на уровне целого организма. Результаты экспериментов in vitro сначала переводятся в зависимости доза-ответ или в причинно-следственные отношения для органа или клеток. Эти отношения затем экстраполируются на уровень организма в целом с использованием математических моделей. Модели реализуются и изучаются с помощью компьютеров в имитационных исследованиях с целью предсказать динамические результаты in vivo исследований системы в целом. Запланированные эксперименты над животными могут сначала быть выполнены теоретически, чтобы протестировать целостность предлагаемых протоколов опытов и выявить потенциальные пробелы перед тем, как лабораторные животные будут использованы.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен значительный опыт разработки и применения средств вычислительной техники и математических методов для решения задач теоретической и практической медицины. На начальных этапах работ в этом направлении основное внимание уделялось разработке методов и моделей, позволяющих углублено исследовать патологические процессы на уровне отдельных органов и систем организма.

Компьютерная модель, или численная модель - компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере или множестве взаимодействующих компьютеров (вычислительных узлов), реализующая абстрактную модель некоторой системы. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения математических систем, слишком сложных для аналитического исследования.

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т.н. вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.

К основным этапам компьютерного моделирования относятся:

- постановка задачи, определение объекта моделирования;

- разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;

- формализация, то есть переход к математической модели;

- создание алгоритма и написание программы;

- планирование и проведение компьютерных экспериментов;

-.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. При аналитическом моделировании изучаются математические (абстрактные) модели реального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и других уравнений, а также предусматривающих осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. При имитационном моделировании исследуются математические модели в виде алгоритма(ов), воспроизводящего функционирование исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

В настоящее время математические модели и компьютерное моделирование еще не могут полностью вытеснить экспериментирование на подопытных животных в медико-биологических исследованиях. Обсуждается ряд теоретических и философских вопросов относительно их применения в биологических работах и по-прежнему существует много белых пятен в нашем понимании того, как функционирует организм, которые не разрешимы без реальных экспериментов над подопытными животными. Но по мере того как увеличивается наше знание о функционировании биологических систем, компьютерные модели усложняются, становятся более детализированными и все лучше отражающими реальные процессы.

Дата добавления: 2015-06-26