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文檔簡(jiǎn)介
1、本論文主要對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)涉及到最優(yōu)控制的一些問題進(jìn)行了探索.
我們就系統(tǒng)生物學(xué)涉及的神經(jīng)系統(tǒng)、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、基因表達(dá)建模和相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)四個(gè)方面作了研究.文中四個(gè)方面的相關(guān)問題都是系統(tǒng)生物學(xué)最新、最前沿的研究方向之一,而且都和最優(yōu)控制理論相關(guān).它們涉及把隨機(jī)控制問題近似轉(zhuǎn)化為確定性的控制問題、狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)及帶狀態(tài)約束的最優(yōu)控制問題.目前,最優(yōu)控制理論在系統(tǒng)生物學(xué)的應(yīng)用研究尚處于起步階段,我們認(rèn)為這是一個(gè)重要而有前景的領(lǐng)域.<
2、br> 全文共分為7章.
第一章是引言,介紹了系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀.同時(shí),介紹了控制方法在系統(tǒng)生物學(xué)中的應(yīng)用和本文的工作.
第二章是預(yù)備知識(shí),介紹了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和最優(yōu)控制問題.
第三章主要對(duì)經(jīng)典的Stein模型、脈沖幅度與狀態(tài)有關(guān)的連續(xù)隨機(jī)輸入的Stein模型和帶泊松輸入的Stein模型分別做了關(guān)于神經(jīng)元脈沖發(fā)放最優(yōu)控制的研究.這些模型的描述方程含有正參數(shù)α.我們解答了對(duì)于不同類型模型的最優(yōu)控制問
3、題,找到了最優(yōu)輸入速率λ(t).關(guān)于參數(shù)的數(shù)值模擬顯示,只要模型的參數(shù)值在一定的范圍之內(nèi),我們希望得到的脈沖發(fā)放的時(shí)間間隔是可能實(shí)現(xiàn)的.
第四章主要介紹了關(guān)于乳糖操縱子的一個(gè)調(diào)控模型,研究了在葡萄糖和乳糖共存環(huán)境下發(fā)生二次生長現(xiàn)象和非二次生長現(xiàn)象.這個(gè)模型考慮了大家知道的所有調(diào)控機(jī)理:包括代謝阻抑,誘導(dǎo)物的排除,乳糖水解為葡萄糖以及轉(zhuǎn)錄和翻譯的時(shí)滯現(xiàn)象.一個(gè)新的代謝阻抑機(jī)理被提出來:環(huán)腺苷酸(cAMP)的合成不僅和外部的葡萄糖
4、濃度有關(guān),而且和內(nèi)部的葡萄糖濃度有關(guān).我們特別關(guān)注了模型中細(xì)胞內(nèi)的cAMP和β-半乳糖苷酶.數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示模型預(yù)測(cè)的和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是相一致的.在葡萄糖和乳糖共存環(huán)境下,能阻抑乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)的細(xì)胞外葡萄糖濃度的變化不能改變二次生長現(xiàn)象中的時(shí)滯階段時(shí)間的長短.
對(duì)任何一個(gè)系統(tǒng)來說,要從同時(shí)攜帶信息和噪聲的信號(hào)中分離出真實(shí)的信號(hào)是我們面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn).而調(diào)解細(xì)菌趨化性的信號(hào)傳導(dǎo)途徑是其中一個(gè)特別艱巨的工作.因此,在第五章中我們主要對(duì)盤基網(wǎng)柄菌
5、系統(tǒng)進(jìn)行了研究.通過用數(shù)學(xué)模型來描述信號(hào),噪音和系統(tǒng),我們明確地闡述并且解決了關(guān)于預(yù)測(cè)配合物結(jié)合到受體過程的最優(yōu)濾波問題.數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分吻合.最后,我們提出了利用噪音的放大因子來表征噪音的傳播特性的概念.
第六章主要提出了基于參數(shù)估計(jì)模型降維應(yīng)用于乳糖操縱子模型的方法.通過參數(shù)靈敏度方程,運(yùn)用主成分分析把13維的模型降到3維.降維不僅使得參數(shù)估計(jì)的復(fù)雜性降低了,而且使得參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性不會(huì)受很大的影響.
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