JP2004129626A - Modeling apparatus for biological cell intracellular reaction and method and program therefor - Google Patents
Modeling apparatus for biological cell intracellular reaction and method and program therefor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004129626A JP2004129626A JP2002300250A JP2002300250A JP2004129626A JP 2004129626 A JP2004129626 A JP 2004129626A JP 2002300250 A JP2002300250 A JP 2002300250A JP 2002300250 A JP2002300250 A JP 2002300250A JP 2004129626 A JP2004129626 A JP 2004129626A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- biological
- model
- biological cell
- unit
- program
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物細胞内の変化のシミュレーションを支援する生物細胞内反応モデル化装置、その方法およびそのプログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ヒトゲノムプロジェクトの見通しが付き、多くの生物の遺伝子解析が大きく進展している現在、次なる対象として生物細胞におけるたんぱく質の相互作用を明らかにし、生物の行っている複雑な信号処理の解明を行い、創薬や病気診断、更には生物情報処理の技術化を目指した研究が行われている。このような研究や開発を行うためには、複雑な形を有する生物細胞、特に神経細胞の形態をモデル化し、2万種以上と言われている生物細胞内のタンパク間相互作用を時空間ダイナミクスとしてシミュレートする必要がある。これまでにも生化学反応をモデル化し、数値計算を行って結果表示を行うシステムが多く開発されている。たとえば、A−Ce11(特許文献1および非特許文献1)、GEPASI(非特許文献2)、SCAMP(非特許文献3)、E−Ce11(非特許文献4)などが知られている。これらのシステムでは生化学反応やHodgkin−Huxley方程式で記述される膜電位をモデル化し、シミュレーションすることができる。しかし、これらは複雑な神経細胞の形態をモデル化することができず、細胞全体を均質な点モデルとして扱っていた。従って、細胞内で局所的に生ずる生化学物質や膜電位の変化が神経細胞の信号処理や細胞生理に及ぼす影響についてのシミュレーションを行うことができなかった。
一方、Genesis(非特許文献5)、NEURON(非特許文献6)では神経細胞の形態をモデル化し、その中で生化学反応やHodgkin−Hux1ey方程式で記述される膜電位の変化を扱うことを可能にしている。しかし、単純な形態しかモデル化できない、あるいは複雑な形態をモデル化できても、形態記述を文字べースのスクリプトで行っていた。例えば、NEURONにおける形態記述のスクリプトの一部を図20に示す。このような記述方法では、文字列での記述であるので形態の全体像が把握できず、記述に手間がかかって誤りも多く、自由に形態を変化させてモデル構築を行うことが不可能であった。
神経細胞をはじめとする生物細胞は、一般にその形態が複雑である上に局所的に変化が生ずることが生物細胞の機能発現に重要である。従って、生物細胞の形態を自由にモデル化し、それを多くのコンパートメントに分割して各コンパートメントで進行する局所的変化を簡単に短時間にシミュレーションするツールが必要であった。
【0003】
【特許文献1】特願2000−185394
【非特許文献1】K.Ichikawa,「A−Ce11:graphical user interface for theconstruction of biochemica1 reaction mode1s」 Bioinformatics Vo1.17(2001),pp.483−484.
【非特許文献2】Mendes,P(1993)「Biochemistry by numbers:simu1ation of biochemical pathways with Gepasi 3」 Trends Biochem.Sci.,22,pp.361−363.
【非特許文献3】Sauro,H.M.(1993)「SCAMlP:a genera1 purpose simulatorand metabo1ic control ana1ysis program」 Comp.Applic.Biosci.,9,pp.441−450.
【非特許文献4】Tomita,M.,Hashimoto,K.,Takahashi,K.,Shimizu,T.S.,Matsuzaki,Y.,Miyoshi,F.,Saito,K.,Tanida,S.,Yugi,K.,Venter,J.C., and Hutchison III,C.A.(1999)「E−Ce11:software environment for whole−cell simu1ation」 Bioinfo.,15,pp.72−84.
【非特許文献5】Wi1son,M.A.,Bhalla,U.S.,Uhley,J.D., and Bower,J.M.(1989)「GENESIS:A system for simulating neural networks.In」 Advances in Neural Information Processing Systems.D.Touretzky,editor. Morgan Kaufmann,San Mateo,CA.,pp.485−492
【非特許文献6】Hines,M.(1993)「NEURON−a program for simu1ation of nerve equations」 Neural Systems:Analysis and Modeling,Ed.F.Eeckman,Kluwer Academic Pub.,pp.127−136
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、生物細胞全体あるいはその一部分の複雑な形態を少ないパラメータによって生成してコンパートメントに分割した形態モデルを生成し、各コンパートメントに生化学反応、拡散、膜電位方程式などを割り付ける作業全体をGUI(グラフィック・ユーザ・インタフェース)によって行い、さらに、生成された形態モデル、各コンパートメントに割り付けられた生化学反応、拡散、および、膜電位方程式などに基づいて、シミュレーションプログラムを自動生成し、結果の表示をグラフィカルに行う統合的環境を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
[データ構造化装置]
上記目的を達成するために、本発明にかかる生物細胞内反応モデル化装置は、生物細胞の形態を生成する形態生成手段と、前記形態生成手段により生成された生物細胞の形態をグラフィック表示する形態表示手段と、前記形態生成手段により生成された生物細胞の形態の少なくとも一部に、物理的または化学的な変化モデルを割り付ける割付手段とを有する。
【0005】
好適には、前記形態生成手段は、前記生物細胞の形態をコンパートメントに分割する分割手段を有し、前記形態表示手段は、前記分割手段により分割された状態で、前記生物細胞の形態を表示する。
【0006】
好適には、前記割付手段は、前記分割手段により分割されたコンパートメント毎に、前記変化モデルを割り付ける。
【0007】
好適には、前記形態表示手段は、前記生物細胞の形態を三次元グラフィック表示する。
【0008】
好適には、前記割付手段は、前記形態表示手段により三次元グラフィック表示されたコンパートメントの中から1つ以上のコンパートメントを指定する指定操作を受け付け、指定されたコンパートメントに対して前記変化モデルを割り付ける。
【0009】
好適には、前記形態生成手段により生成された前記生物細胞の形態と、前記割付手段により前記生物細胞の形態に対して割り付けられた前記変化モデルとに基づいて、生物物質の時空間シミュレーションを行う数値計算プログラムを生成するプログラム生成手段をさらに有する。
【0010】
好適には、前記プログラム生成手段により生成された前記数値計算プログラムの実行結果をグラフィック表示する結果表示手段をさらに有する。
【0011】
好適には、形態生成手段は、少なくとも1つの基本形態をテンプレートとして有し、前記形態表示手段は、前記基本形態の少なくとも1つを表示する。
【0012】
好適には、前記形態生成手段は、パラメータの入力に応じて神経細胞の形態を生成し、前記形態表示手段は、前記形態生成手段により生成された神経細胞の形態を表示する。
【0013】
好適には、前記形態生成手段は、前記生物細胞の少なくとも一部の形態を生成し、前記形態表示手段は、前記形態生成手段により生成された前記生物細胞の少なくとも一部の形態を表示する。
【0014】
好適には、前記分割手段により分割されたコンパートメントの少なくとも一部を、膜属性または溶液属性に設定する属性設定手段をさらに有する。
【0015】
好適には、前記割付手段は、特定位置における複数のコンパートメントを指定する指定操作で受け付け、指定された特定位置のコンパートメントに対して前記変化モデルを割り付ける。
【0016】
好適には、前記形態表示手段は、前記生物細胞の形態の断面を表示し、前記割付手段は、表示された断面におけるコンパートメントから1つ以上のコンパートメントを指定する指定操作を受け付けて、指定されたコンパートメントに前記変化モデルを割り付ける。
【0017】
好適には、前記割付手段により前記変化モデルが割り付けられた生物細胞の形態の少なくとも一部に対して、割り付けられた変化モデルを取り消す取消手段をさらに有する。
【0018】
好適には、前記形態表示手段により表示された生物細胞の形態の少なくとも一部分を指定する指定操作を受け付けて、指定された一部分に対して割り付けられた変化モデルを確認させる確認表示手段をさらに有する。
【0019】
好適には、前記コンパートメントに含まれる物質に関する変数を、膜属性または溶液属性に対応付けて受け付ける変数入力手段と、前記プログラム生成手段は、膜属性および溶液属性の一方の変数を他方の変数に変換して、前記数値計算プログラムを生成する。
【0020】
好適には、前記コンパートメントに含まれる各物質に対して、膜属性のコンパートメントおよび溶液属性のコンパートメントのそれぞれにおける拡散定数を受け付ける変数入力手段をさらに有する。
【0021】
好適には、前記割付手段は、前記変化モデルとして、生化学反応モデル、電気的等価回路モデルおよび拡散モデルから選ばれた少なくとも1つを割り付ける。
【0022】
好適には、前記形態生成手段により生成された前記生物細胞の形態と、前記割付手段により前記生物細胞の形態に対して割り付けられた前記生化学反応モデル、前記電気的等価回路モデルおよび前記拡散モデルとに基づいて、生物物質の時空間シミュレーションを行う数値計算プログラムを生成するプログラム生成手段をさらに有する。
【0023】
好適には、前記形態生成手段により生成された前記生物細胞の形態と、前記割付手段により前記生物細胞の形態に対して割り付けられた前記電気的等価回路とに基づいて、前記生物細胞における電位伝播のシミュレーションを行う数値計算プログラムを生成するプログラム生成手段をさらに有する。
【0024】
好適には、前記プログラム生成手段は、溶液属性の生化学反応パラメータ、膜属性の生化学反応パラメータおよび電気的等価回路のパラメータの関係に基づいて、生物細胞内の生化学的変化に基づく膜電位の変化をシミュレートする数値計算プログラムを生成する。
【0025】
好適には、前記プログラム生成手段により生成された数値計算プログラムの実行結果に基づいて、前記生物細胞内の生物物質および局所電位の時空間変化を、2以上の時点における生物物質および局所電位を表す画像を用いて表示する結果表示手段をさらに有する。
【0026】
好適には、前記結果表示手段は、前記生物細胞の断面における生物物質および局所電位の時空間変化を表示する。
【0027】
好適には、前記生物細胞の一部分を指定する指定操作を受け付け、前記数値計算プログラムに基づいて、指定された一部分に関する生物物質および局所電位の時間変化をグラフ表示するグラフ表示手段をさらに有する。
【0028】
また、本発明にかかる生物細胞内反応モデル化方法は、生物細胞の形態を生成し、生成された前記生物細胞の形態をグラフィック表示し、生成された前記生物細胞の形態の少なくとも一部に、物理的または化学的な変化モデルを割り付ける。
【0029】
また、本発明にかかるプログラムは、コンピュータを含む生物細胞内反応モデル化装置において、生物細胞の形態を生成するステップと、生成された前記生物細胞の形態をグラフィック表示するステップと、生成された前記生物細胞の形態の少なくとも一部に、物理的または化学的な変化モデルを割り付けるステップとを前記生物細胞内反応モデル化装置のコンピュータに実行させる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図を参照して説明する。
図1は、本発明にかかる生物細胞内反応モデル化装置2のハードウェア構成を例示する図である。図1に示すように、生物細胞内反応モデル化装置2は、LCD表示装置あるいはCRT表示装置などのモニタ22、キーボードおよびポインティングデバイスなどの入力装置24、CPU262およびメモリ264などを含む処理装置26、HDD・CD装置などの記録装置28、並びに、通信装置29などから構成される。
【0031】
図2は、生物細胞内反応モデル化装置2に実行され、本発明にかかる生物細胞内反応モデル化方法を実現する反応モデル化プログラム5の構成を例示する図である。図2に示すように、反応モデル化プログラム5は、テンプレート表示部502、形態エディタ部504、形態生成部510、形態表示部520、属性設定部522、割付部530、変数入力部540、プログラム生成部542、プログラム実行部544、結果表示部546およびモデル入出力部550から構成される。
また、形態生成部510は、分割部512を有し、割付部530は、変化モデル表示部532、確認表示部534および取消部536を有する。モデル入出力部550は、暗号化部552、復号化部554および変更履歴管理部556を有する。
反応モデル化プログラム5は、例えば記録媒体280を介して制御装置26に供給され、メモリ264にロードされて実行される。
【0032】
テンプレート表示部502は、生物細胞の一部または生物細胞全体の立体形状に対応する形態モデルの基本形態をテンプレートとして予め有しており、これらのテンプレートをモニタ22に表示する。テンプレート表示部502は、入力装置24を介してテンプレートの選択を検知すると、選択されたテンプレートを形態生成部510に通知する。
また、テンプレート表示部502が有するテンプレートは、形態エディタ504により編集されてもよい。形態エディタ504は、操作者の操作に応じて、すでに準備されているテンプレートを変形してもよいし、最初から形態モデルを構築してもよい。例えば、操作者がニューロンの形態モデルを構築する場合には、樹状突起の形態を自動生成するアルゴリズム(例えば、Tamori,Y.,Phys.Rev.E,Vol.48(1993),pp.3124−3129を参照)を利用して少ないパラメータの指定により複雑な樹状突起からなる形態モデルを生成する。
【0033】
分割部512は、操作者が入力した分割数などに応じて、テンプレートの分割位置を決定する。形態生成部510は、テンプレート表示部502から通知されたテンプレートの形態を分割部512により決定された分割位置で分割した形態モデルを生成し、形態表示部520に出力する。なお、分割部512により分割された形態モデルの各構成要素を、コンパートメントという。
形態表示部520は、形態生成部510から入力された形態モデルをモニタ22に表示する。また、形態表示部520は、操作者の操作に応じて、形態モデルの回転、拡大、縮小および断面表示等を行う。
【0034】
属性設定部522は、操作者の操作に応じて、各コンパートメントを膜属性または溶液属性に設定する。ここで、膜属性とは、生物細胞の生体膜の性質を有することを意味し、膜属性に設定されたコンパートメントには、生体膜としての性質を示すように変数等が設定される。また、溶液属性とは、生物細胞内の可溶性物質の性質を有することを意味し、溶液属性に設定されたコンパートメントには、例えば細胞質としての性質を示すように変数等が設定される。
【0035】
割付部530は、操作者の操作に応じて、コンパートメントに対して変化モデルを割り付ける。まず、変化モデル表示部532が、例えば、特開2002−007380号公報において開示された方法により、生化学反応モデルおよび膜電位モデルの微分方程式を生成し表示する。割付部530は、操作者の操作に応じて、生成された微分方程式を各コンパートメントに割り付ける。また、操作者が、割り付けられた変化モデルを確認する場合には、確認表示部534は、操作者の操作に応じて、割り付けられた変化モデルを示す情報を表示する。操作者が、割り付けられた変化モデルを取り消す場合には、取消部536が、操作者の操作に応じて、割り付けられた変化モデルを取り消す。ここで、変化モデルとは、生物細胞内で発生する化学的および物理的な変化を示すモデルであり、外部刺激モデル、生化学反応モデル、および電気的等価回路モデル等を含む。
【0036】
変数入力部540は、入力装置24を介して、操作者から各コンパートメントに含まれる物質量(濃度など)および拡散定数等を示す変数を、膜属性または溶液属性に対応付けて受け付け、プログラム生成部542に対して出力する。
【0037】
プログラム生成部542は、形態表示部520から入力された形態モデル、属性設定部522から入力された属性、割付部530から入力された変化モデル、および、変数入力部540から入力された変数に基づいて、生物細胞内で発生する生化学反応および電位伝播をシミュレートするためのプログラムを生成し、プログラム実行部544に対して出力する。例えば、プログラム生成部542は、各コンパートメントに割り付けられた変化モデル(生化学反応モデルおよび電気的等価回路等)に、形態モデル内で発生する拡散による影響を反映させた時空間モデルを構築し、時空間ダイナミクスを数値積分するシミュレーションプログラムに変換する。
また、プログラム生成部542は、形態モデルおよび変化モデルに基づいて構築されたモデルをモデル入出力部550に対して出力する。
【0038】
プログラム実行部544は、操作者から物質量等の初期値を受け付けると、プログラム生成部542から入力されたプログラムを実行して、数値シミュレーションを行い、シミュレーション結果を結果表示部546に対して出力する。このように、初期条件は、プログラム生成部542により生成されたプログラムと別ファイルとして独立に生成されるので、様々な初期条件によるシミュレーションをプログラムのリコンパイルすることなく行うことができる。
結果表示部546は、プログラム実行部544から入力されたシミュレーション結果を、操作者の要望に応じた表示方法でモニタ22に表示させる。
【0039】
モデル入出力部550は、記録装置28または通信装置29を介して、形態モデルおよび変化モデルを統合したモデルのファイル(以下モデルファイル)を外部端末に対して入出力する。暗号化部552は、外部に出力するモデルファイルを暗号化する。また、復号化部554は、外部から入力されたモデルファイルを複合化してプログラム生成部542に出力する。変更履歴管理部556は、モデルファイルを構築または変更した編集者名、その所属、編集日時等の編集履歴を暗号化してモデルファイルに付す。
【0040】
[表示画面]
次に、変数等の入力操作および結果表示等を行うときの表示画面について説明する。
図3は、テンプレート表示部502がモニタ22上に表示させる形態モデルのテンプレートを例示する図である。
図3に示すように、テンプレート表示部502は、メインウインドウ700と、テンプレートウインドウ710などの子ウインドウとを表示する。メインウインドウ700と子ウインドウとは独立して操作して表示位置および表示領域を変えることができる。
メインウインドウ700には、ツールバー702およびメイン表示領域730が表示される。
ツールバー702は、ファイル操作、印刷、表示の変更等を受け付けるクリッカブルエリアである。例えば、ツールバー702a、702b、702c、702d、702eおよび702fは、それぞれ、形態モデルのテンプレートの表示、変化モデルの割付、シンボルリスト(物質名等)の表示、シミュレーションプログラムの生成、および、初期値入力画面の表示を指示する操作を受け付ける。
メイン表示領域730は、形態モデルやシミュレーション結果などを表示する。
また、テンプレートウインドウ710は、形態モデルのテンプレート712を表示する。テンプレート712a、712b、712c、712d、712eおよび712fは、生物細胞の一部または全体の形状に対応する形態モデルであり、それぞれ直方体、円柱体、球体、円錐、スパインおよびニューロンの形状を有するモデルである。
【0041】
図4は、形態エディタ504が編集したテンプレートを例示する図である。
図4に示すように、所望する形態モデルがテンプレートにない場合、形態エディタ504が、操作者から少数のパラメータを受け付けることにより、所望する形態モデルを生成することができる。本図は、形態エディタ504がニューロンの形態モデルを生成した例を示す。
【0042】
図5は、分割部512がモニタ22上に表示させる分割変数入力ウインドウ720を例示する図である。
図5に示すように、分割部512は、形態モデルの分割数およびサイズを受け付ける分割変数入力ウインドウ720を子ウインドウとして表示させる。分割変数入力ウインドウ720は、形態モデルを構成する部分毎に、この部分のサイズを受け付けるサイズ入力エリア722と、この部分を分割する分割数を受け付ける分割数入力エリア724とを表示する。サイズ入力エリア722および分割数入力エリア724は、例えば大きさおよび形状に基づいて分けられた形態モデルの部分毎に設けられる。本例の場合には、スパインの球形部分には、サイズ入力エリア722aおよび分割数入力エリア724aが設けられ、球形部分に接続する円柱部分には、回転対称軸方向にサイズ入力エリア722bおよび分割数入力エリア724b、円柱の直径方向にサイズ入力エリア722dおよび分割数入力エリア724dがそれぞれ設けられている。
また、分割変数入力ウインドウ720は、形態モデルの各部分に属性入力エリア728を表示する。属性入力エリア728は、形態モデルの各部分に対して膜属性または溶液属性を設定する操作を受け付ける。
【0043】
図6は、形態表示部520がモニタ22上に表示させる形態モデルを例示する図である。
図6に示すように、形態表示部520は、メイン表示領域730に、コンパートメント指定エリア734、変数表示エリア736および形態モデル表示エリア738を表示する。コンパートメント指定エリア734は、コンパートメントの指定方法を設定する操作を受け付ける。例えば、コンパートメント指定エリア734aは、操作者のクリック操作により、1つのコンパートメントの指定を可能とする。
また、コンパートメント指定エリア734b、734c、734dおよび734eは、特定位置の複数のコンパートメントの指定を可能にする。例えば、コンパートメント指定エリア734bは、操作者のクリック操作により、形態モデルの表面に位置するコンパートメントの一括指定を可能にし、コンパートメント指定エリア734cは、表面に位置するコンパートメント全ての一括指定を可能にする。また、コンパートメント指定エリア734dは、形態モデルに含まれる全てのコンパートメントの一括指定を可能にし、コンパートメント指定エリア734eは、形態モデルの内部に位置するコンパートメント全ての一括指定を可能にする。
変数表示エリア736は、上から順に、形態モデルのファイル名、形態モデルに含まれるコンパートメントの数、および、コンパートメントの大きさを表示する。
形態モデル表示エリア738は、形態モデルをコンパートメントに分割した状態で表示する。形態モデル表示エリア738は、ツールバー702に対する操作に応じて、形態モデルの大きさを変換したり、形態モデルを回転させることができる。
【0044】
図7(A)および(B)は、割付部530が変化モデルの割付操作を受け付ける画面を例示する図である。
操作者が、形態表示部520が表示する形態モデルにおいて所定のコンパートメントを指定すると、割付部530は、図7(A)に示すように、指定されたコンパートメントの表示を変更して、割付メニュー739を表示する。割付メニュー739は、変化モデルの割り付け(Embed Reaction)、割り付けられた変化モデルを確認するための表示(View Embedded Reaction)、シンボルリスト(Symbol List)、シンボルステータス(Symbol Status)、コンパートメントの一時削除(Invisible)、および、コンパートメント一時削除状態の解除(Visible)をメニューとして表示し、これらのいずれかを受け付ける。
また、図7(B)に示すように、操作者が、形態表示部520に形態モデルの断面を表示させ、表示された断面においてコンパートメントを指定した場合、割付部530は、断面のコンパートメントに対する割付操作を受け付ける。
【0045】
図8は、変化モデル表示部532がモニタ22上に表示させる変化モデル表示ウインドウ740を例示する図である。
図8に示すように、変化モデル表示ウインドウ740は、外部刺激モデルエリア742、生化学反応モデルエリア744および微分方程式エリア746を表示する。外部刺激モデルエリア742は、外部からの刺激のモデルを受け付ける。生化学反応モデルエリア744は、化学反応式の表示形式で生化学反応モデルを受け付ける。また、微分方程式エリア740は、微分方程式の表示形式で、化学反応や物理現象などのモデルを受け付ける。
【0046】
図9は、変数入力部540がモニタ22上に表示させるシンボルリスト表示ウインドウ750を例示する図である。
図9に示すように、シンボルリスト表示ウインドウ750は、コンパートメントに含まれる物質に関して設定された変数を表示する変数表示752、各変数に対する属性(膜属性または溶液属性)の入力を受け付ける属性入力エリア754、拡散定数の入力を受け付ける拡散定数入力エリア756、および、グローバルシンボルの設定を受け付けるグローバルシンボル設定エリア758を表示する。
変数入力部540は、入力された拡散定数に基づいて、コンパートメント間の物質の流れを計算する微分方程式を生成し、割付部530により生成される生化学反応の微分方程式と結合される。このように、反応モデル化プログラム5は、反応拡散方程式を自動生成する。
変数表示752は、設定された物質量などを属性に対応付けて表示する。本例において左端に示された「M」は、膜属性に設定されていることを示す。
属性入力エリア754は、膜属性または溶液属性に設定する操作を受け付ける。また、拡散定数入力エリア756は、各物質の拡散定数の入力を受け付ける。グローバルシンボル設定エリア758は、グローバルシンボルの設定を受け付ける。グローバルシンボルとは、形態モデル内で均一な挙動を示す変数に対して設定するフラグである。グローバルシンボルが設定された変数は、形態モデル内全体で均一な挙動を示すので、一箇所で計算された値をそのまま参照するように設定される。つまり、グローバルシンボルに設定することにより計算量を低減させることができる。
このように、変化モデルの物質が不溶性物質(すなわち膜属性)と可溶性物質(すなわち溶液属性)とに分類されると、変数入力部540は、膜属性物質と溶液属性物質との間の生化学反応における変換を行う。この変換は膜属性の物質と溶液属性の物質とでは濃度の表現方法が異なるために必要となる変換であり、膜属性の物質「M」から溶液属性の物質「S」に変換する場合には「S」=Aa*「M」で計算する。ここで、Aa=1/(NA*v)、NAはアボガドロ数であり、vはコンパートメント体積である。
このように変換することにより、膜属性物質・溶液性物質間の反応を統一的に扱うことができる。
【0047】
図10は、プログラム生成部542が生成したプログラムを表示するプログラムウインドウ760を例示する図である。
図10に示すように、プログラムウインドウ760は、プログラム生成ボタン762、プログラム書き込みボタン764、および、プログラム表示エリア766を表示する。プログラム生成ボタン762がクリック等されると、プログラム生成部542は、形態モデルおよび変化モデルに基づいて、所定のプログラム言語(本例ではC言語)で数値シミュレーションを行うプログラムを生成する。プログラム書き込みボタン764がクリック等されると、モデル入出力部550は、生成されたプログラムをハードディスクに書き込む。プログラム表示エリア766は、生成されたプログラムを表示する。
【0048】
図11は、プログラム生成部542により生成されたプログラムの初期値を受け付ける初期値ウインドウ770を例示する図である。
図11に示すように、初期値ウインドウ770は、計算パラメータエリア772、シンボルパラメータエリア776および物質量パラメータエリア778を表示する。計算パラメータエリア772は、初期値ファイル名、シミュレーション結果のファイル名、シミュレーションを行う全時間、数値シミュレーションにおける演算の単位時間、および、数値シミュレーションの結果を出力する時間間隔を表示し、これらの入力を受け付ける。シンボルパラメータエリア776は、シミュレーションで処理されるシンボルのリストと、出力されるシンボルのリストとを表示する。物質量パラメータエリア778は、各シンボルの初期値を表示し、これらの入力を受け付ける。
【0049】
図12は、結果表示部546がシミュレーション結果を時系列に配列して表示する結果表示ウインドウ780を例示する図である。
図12に示すように、結果表示ウインドウ780は、パラメータ表示エリア782、表示制御エリア784、および、結果表示エリア786を表示する。パラメータ表示エリア782は、数値シミュレーションの計算時間パラメータを表示する。例えばパラメータ表示エリア782aは、数値シミュレーションの全時間間隔を表示し、パラメータ表示エリア782bは、数値シミュレーションの結果を出力する時間間隔と、数値シミュレーションにおける演算時間間隔とを表示する。また、表示制御エリア784は、出力させる出力パラメータの種類、出力するページ、および、スライドショーの表示時間間隔などを表示し、それらの変更操作を受け付ける。結果表示エリア786は、各時点における形態モデルを3Dグラフィック表示し、その時点における出力パラメータ(物質量など)をグラフィック(数値に応じた色表示)で表示する。本例では、図中のaからdは、順に物質濃度が大きいことを示す。aからdの各領域は、色または模様で区別できるように表示されている。なお、出力パラメータは、色および濃度の組合せにより、任意の階調数でグラフィック表示される。
【0050】
図13は、結果表示部546がシミュレーション結果を形態モデルの断面で表示する結果表示ウインドウ780を例示する図である。
図13に示すように、本例の結果表示エリア786は、形態モデルの断面786aを表示し、断面786aに出力パラメータをグラフィック表示する。形態モデルにおける断面786aの位置は、結果表示ウインドウ780の上部に設けられたツールバー(矢印が表示されたボタン)で移動させることができる。
【0051】
図14は、結果表示部546がシミュレーション結果をグラフ表示するグラフ表示ウインドウ790を例示する図である。
図14に示すように、グラフ表示ウインドウ790は、出力パラメータ選択エリア792、グラフ表示エリア794、および、数値表示エリア796を表示する。出力パラメータ選択エリア792は、グラフ表示している出力パラメータの種類を表示し、出力パラメータの種類の選択を受け付ける。グラフ表示エリア794は、選択された出力パラメータを時間でプロットしたグラフを表示する。数値表示エリア796は、グラフ表示エリア794に表示されるグラフの縦軸のサイズを「min」欄および「max」欄の数値で規定する。また、グラフ表示エリア794は、グラフ表示エリア794に表示されたカーソル794aの位置に応じて、シミュレーション結果の数値(物質の濃度等)を「value」の欄に表示する。
【0052】
[動作]
次に、生物細胞内反応モデル化装置2を用いて生物細胞内のモデルを構築し、時空間シミュレートする動作を説明する。
図15は、生物細胞内反応モデル化装置2を用いた時空間シミュレーション処理(S10)のフローチャートである。
図15に示すように、ステップ100(S100)において、操作者がメインウインドウ700のツールバー702aをクリックすると、テンプレート表示部502は、形態モデルのテンプレートをテンプレートウインドウ710に表示する。操作者は、表示されたテンプレートの中から生物細胞の形態に類似する形態モデルを選択し、必要に応じて変形させる。
【0053】
ステップ120(S120)において、生物細胞は水溶性の物質で満たされている細胞質とそれを取り囲む細胞膜から成り、生化学反応および膜電位のシミュレーションのためには細胞質と細胞膜を区別しなければならない。そこで、操作者は、分割変数入力ウインドウ720の属性入力エリア728で、形態モデルの各コンパートメントに膜属性または溶液属性を設定する。属性設定部522は、属性入力エリア728における指示に応じて、形態モデルの各部分に膜属性または溶液属性を設定する。
【0054】
ステップ130(S130)において、割付部530は、メインウインドウ700の形態モデル表示エリア738でコンパートメントの指定を受けつけると、割付メニュー739を形態モデル表示エリア730に表示する。操作者が、割付メニュー739から「Embed Reaction」をクリックすると、割付部530は、変化モデル表示ウインドウ740を表示して、外部刺激モデル、生化学反応モデル、および、膜電位モデル(電気的等価回路)の入力を受け付ける。
【0055】
ステップ150(S150)において、プログラム生成部542は、メインウインドウ700のツールバー702dがクリックされると、プログラムウインドウ760を表示して、時空間シミュレーションプログラム生成の指示を受け付ける。プログラム生成部542は、プログラム生成ボタン762がクリックされると、時空間シミュレーションプログラムを生成し、プログラム表示エリア766に表示する。
【0056】
ステップ160(S160)において、プログラム実行部544は、生成された時空間プログラムをコンパイルした後で、初期値ウインドウ770を表示して、シミュレーションを行う時間、数値演算の時間間隔、シミュレーション開始時の物質濃度などの初期パラメータの入力を受け付ける。
【0057】
ステップ170(S170)において、プログラム実行部544は、シミュレーションの開始が指示されると、コンパイルした時空間プログラムを実行して、入力された初期パラメータに基づいて生物細胞内の変化を数値演算して、時空間シミュレーションを行う。
【0058】
ステップ180(S180)において、結果表示部546は、時空間シミュレーションの結果を出力する。
【0059】
図16は、図15に示した形態モデル設定処理(S100)をより詳細に説明するフローチャートである。
図16に示すように、ステップ102(S102)において、操作者がメインウインドウ700のツールバー702aをクリックすると、テンプレート表示部502は、形態モデルのテンプレートをテンプレートウインドウ710に表示する。操作者は、表示されたテンプレートの中から生物細胞の形態に類似する形態モデルを選択する。
ステップ104(S104)において、操作者は、選択したテンプレートを変形させる場合には、形態パラメータを入力する。反応モデル化プログラム5は、形態パラメータが入力された場合にS106の処理に移り、これ以外の場合にS110の処理に移る。
ステップ106(S106)において、形態エディタ504は、形態モデルの形状を変形させる形態パラメータを受け付け、ステップ108(S108)において、受け付けた形態パラメータに応じて形態モデルの形状を変形させる。
ステップ110(S110)において、分割部512は、分割変数入力ウインドウ720を表示して、形態モデルの各部分のサイズおよび分割数の入力を受け付ける。
ステップ112(S112)において、形態生成部510は、テンプレートを、分割変数入力ウインドウ720で入力されたサイズおよび分割数の形態モデルデータを生成する。ステップ114(S114)において、形態表示部520は、生成された形態モデルデータをメインウインドウ710に表示する。
【0060】
図17は、図15に示した変化モデル設定処理(S130)をより詳細に説明するフローチャートである。
図17に示すように、ステップ132(S132)において、形態表示部520は、メインウインドウ700の形態モデル表示エリア738で形態モデルを表示する。
ステップ134(S134)において、変化モデル化プログラム5は、形態モデルを回転させる場合にS136の処理に移り、形態モデルの断面を表示させる場合にS138に移り、これ以外の場合にS140に移る。
ステップ136(S136)において、形態表示部520は、形態モデル表示エリア738に回転させた形態モデルを表示する。また、ステップ138(S138)において、形態表示部520は、形態モデル表示エリア738に形態モデルの断面を表示する。
ステップ140(S140)において、操作者が形態モデル表示エリア738においてコンパートメントをクリックすると、割付部530は、クリックされた位置に表示されたコンパートメントを特定し、形態表示部520は、特定されたコンパートメントの表示カラーを変更して、割付メニュー739を表示する。
ステップ141(S141)おいて、操作者は、表示された割付メニュー739のいずれかをクリックする。反応モデル化プログラム5は、「Embed Reaction」がクリックされた場合にS142の処理に移り、「View Embedded Reaction」がクリックされた場合にS144の処理に移り、「Symbol List」がクリックされた場合にS146の処理に移る。
ステップ142(S142)において、モデル表示部532は、変化モデル表示ウインドウ740を表示して、外部刺激モデル、生化学反応モデル、および、膜電位モデル(電気的等価回路)などの変化モデルの入力を受け付ける。割付部530は、入力された変化モデルを、指定されたコンパートメントに割り付ける。
ステップ144(S144)において、確認表示部532は、指定されたコンパートメントに対して割り付けられている変化モデルを表示する。操作者は、表示された変化モデルを確認し、必要に応じて変化モデルを取り消すことができる。
ステップ146(S146)において、変数入力部540は、シンボルリスト表示ウインドウ750を表示して、生物細胞内の物質の濃度、属性および拡散定数の入力、並びに、グローバルシンボルの指定を受け付ける。
ステップ148(S148)において、反応モデル化プログラム5は、操作者が変化モデル設定処理を終了する旨を入力すると、S130の処理を終了し、これ以外の場合にS134の処理に移る。
【0061】
図18は、図15に示した結果表示処理(S180)をより詳細に説明するフローチャートである。
図18に示すように、ステップ182(S182)において、操作者は、シミュレーション結果の表示方法を選択する。反応モデル化プログラム5は、3D表示が選択された場合にS184に移り、グラフ表示が選択された場合にS186に移り、断面表示が選択された場合にS188に移る。
ステップ184(S184)において、結果表示部546は、結果表示ウインドウ780の結果表示エリア786に、形態モデルと各時点の特定物質の濃度とを示す3D画像を表示する。操作者が、表示制御エリア784でスライドショーの表示時間間隔を入力してスライドショーを支持すると、結果表示部546は、入力された表示時間間隔で、時系列に各時点の3D画像を表示する。
ステップ186(S186)において、操作者が、結果表示ウインドウ780の結果表示エリアで、所望するコンパートメントをクリックすると、結果表示部546は、クリックされたコンパートメントのシミュレーション結果を、グラフ表示ウインドウ790に表示する。操作者が、カーソル794aをドラッグして横軸(時間軸)における位置を変更すると、結果表示部546は、カーソル794aの位置が対応する時点の物質濃度等を「value」欄に表示する。
ステップ188(S188)において、結果表示部546は、結果表示ウインドウ780の結果表示エリア786に、形態モデルの断面786aを表示し、この断面786a上で各時点の物質濃度等をグラフィック表示する。
ステップ190(S190)において、反応モデル化プログラム5は、結果表示の終了が入力された場合にS180の処理を終了し、これ以外の場合にS182の処理に移る。
このように結果表示ウインドウ780は、全体像の把握は可能であるが、特定のコンパートメントの特定の時刻における物質の濃度を知ることはできない。そこで、グラフ表示ウインドウ790は、選択された特定のコンパートメントにおける物質の時間変化をグラフ表示し、かつ。カーソルの時刻における値を表示する。また、結果表示部546は、これらの表示方法に加え、任意断面で切断して内部を表示する。
【0062】
以上説明したように、本発明の生物細胞内反応モデル化装置2では、生物細胞、特に神経細胞の複雑な形態を少ないパラメータの指定により簡単にモデル化でき、かつ、そこで進行する多種多様なタンパク質の生化学反応拡散や膜電位の発生・伝播のモデルの割り付けを、グラフィカルに構築することにより、文字べースによるスクリプト表現において問題であった、労力と誤りの多さを解決し、統合的環境の実現を可能にするものである。これまでのモデルのように、実際の生物細胞を極端に単純化して取り扱う場合には本発明は大きな効用を提供しなかった。しかし、今後の生命科学の大きな目標である、細胞内の全てのタンパクのモデルを細胞形態を考慮してコンピュータに構築するような場合では、本発明が可能にするグラフィカルな統合環境なしには複雑きわまりない生物細胞のモデル構築とバイオインフォマティクスの実現は困難である。
【0063】
[変形例]
なお、生物細胞内の物質(特にタンパク)は種類が多く、全ての変化モデルが含まれたモデルを構築するのは困難である。そのため、複数の操作者が、それぞれモデルを構築し、構築されたモデルのファイルを統合して生物細胞内のモデルを構築することが現実的である。
そこで、生物細胞内反応モデル化装置2は、外部からモデルファイルを読み込んで利用することができる。
【0064】
図19は、生物細胞内反応モデル化装置2が外部からモデルファイルを読み込んでシミュレーションを行う場合のフローチャートである。なお、図19における各処理のうち、図15における処理と実質的に同一なものには、同一の符号が付してある。
図19に示すように、ステップ200(S200)において、モデル入出力部550は、記録装置28または通信装置29からモデルファイルを読み出す。
ステップ205(S205)において、復号化部554は、読み出されたモデルファイルを復号化してプログラム生成部542に対して出力する。
ステップ210(S210)において、プログラム生成部542は、操作者の入力に応じて、復号化部554から入力されたモデルファイルを変更する。
反応モデル化プログラム5は、モデルファイルが変更された場合にS215の処理に移り、これ以外の場合にS150の処理に移る。
ステップ215(S215)において、変更履歴管理部556は、モデルファイルの変更者名、所属、および、変更日時を編集履歴のリストに加える。
ステップ220(S220)において、操作者が、モデルファイルの出力を指示すると、暗号化部552は、モデルファイルを暗号化し、モデル入出力部550は、暗号化されたモデルファイルを、記録装置28または通信装置29を介して外部に出力する。
【0065】
このように、モデルファイルを暗号化することにより、モデルの改竄を防止することができる。また、編集履歴を管理することにより、モデルの構築者の栄誉を確保すると共に、編集過程等を知らせることができる。
【0066】
また、生物細胞内反応モデル化装置2をワークステーション(不図示)に接続し、プログラム実行部544で行われる処理をワークステーション上で実行してもよい。この場合、生物細胞内反応モデル化装置2は、通信装置29を介して、プログラム生成部542で生成されたプログラムと、操作者が入力した初期値とをワークステーションに送信し、ワークステーションから時空間シミュレーションの結果を受信する。
また、そのときには、生物細胞内反応モデル化装置2は、ワークステーションで実行可能なプログラム言語(例えば、C言語、ビジュアルベイシック、フォートラン等のプログラム言語)に変換して送信することが望ましい。
【0067】
【発明の効果】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明にかかる生物細胞内反応モデル化装置は、生物細胞内の変化の時空間シミュレーションを支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる生物細胞内反応モデル化装置2のハードウェア構成を例示する図である。
【図2】生物細胞内反応モデル化装置2に実行され、本発明にかかる生物細胞内反応モデル化方法を実現する反応モデル化プログラム5の構成を例示する図である。
【図3】テンプレート表示部502がモニタ22上に表示させる形態モデルのテンプレートを例示する図である。
【図4】形態エディタ504が編集したテンプレートを例示する図である。
【図5】分割部512がモニタ22上に表示させる分割変数入力ウインドウ720を例示する図である。
【図6】形態表示部520がモニタ22上に表示させる形態モデルを例示する図である。
【図7】(A)および(B)は、割付部530が変化モデルの割付操作を受け付ける画面を例示する図である。
【図8】変化モデル表示部532がモニタ22上に表示させる変化モデル表示ウインドウ740を例示する図である。
【図9】変数入力部540がモニタ22上に表示させるシンボルリスト表示ウインドウ750を例示する図である。
【図10】プログラム生成部542が生成したプログラムを表示するプログラムウインドウ760を例示する図である。
【図11】プログラム生成部542により生成されたプログラムの初期値を受け付ける初期値ウインドウ770を例示する図である。
【図12】結果表示部546がシミュレーション結果を時系列に配列して表示する結果表示ウインドウ780を例示する図である。
【図13】結果表示部546がシミュレーション結果を形態モデルの断面で表示する結果表示ウインドウ780を例示する図である。
【図14】結果表示部546がシミュレーション結果をグラフ表示するグラフ表示ウインドウ790を例示する図である。
【図15】生物細胞内反応モデル化装置2を用いた時空間シミュレーション処理(S10)のフローチャートである。
【図16】図15に示した形態モデル設定処理(S100)をより詳細に説明するフローチャートである。
【図17】図15に示した変化モデル設定処理(S130)をより詳細に説明するフローチャートである。
【図18】図15に示した結果表示処理(S180)をより詳細に説明するフローチャートである。
【図19】生物細胞内反応モデル化装置2が外部からモデルファイルを読み込んでシミュレーションを行う場合のフローチャートである。
【図20】細胞の形態をモデル化する形態記述のスクリプトを例示する図である。
【符号の説明】
2・・・データ構造化装置
22・・・モニタ
24・・・入力装置
26・・・処理装置
262・・・CPU
264・・・メモリ
28・・・記録装置
280・・・記録媒体
29・・・通信装置
5・・・反応モデル化プログラム
502・・・テンプレート表示部
504・・・形態エディタ部
510・・・形態生成部
512・・・分割部
520・・・形態表示部
522・・・属性設定部
530・・・割付部
532・・・変化モデル表示部
534・・・確認表示部
536・・・取消部
540・・・変数入力部
542・・・プログラム生成部
544・・・プログラム実行部
546・・・結果表示部
550・・・モデル入出力部
552・・・暗号化部
554・・・復号化部
556・・・変更履歴管理部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for modeling a reaction in a biological cell, which supports simulation of changes in the biological cell, a method thereof, and a program thereof.
[0002]
[Prior art]
With the prospect of the human genome project and the genetic analysis of many organisms progressing greatly, as the next target, we will clarify the interaction of proteins in biological cells, elucidate the complex signal processing that organisms are doing, Research for drug discovery, disease diagnosis, and the technicalization of biological information processing is being conducted. In order to conduct such research and development, we model the morphology of biological cells with complex shapes, especially neurons, and use the spatiotemporal dynamics of protein-protein interactions in more than 20,000 biological cells. Need to be simulated. Many systems for modeling biochemical reactions, performing numerical calculations, and displaying the results have been developed so far. For example, A-Ce11 (
On the other hand, Genesis (Non-patent document 5) and NEURON (Non-patent document 6) model the morphology of neurons and can handle changes in membrane potential described by the biochemical reaction and the Hodgkin-Hux1ey equation. I have to. However, even if only a simple form can be modeled, or a complicated form can be modeled, the form description is performed using a character-based script. For example, FIG. 20 shows a part of a script of a form description in NEURON. In such a description method, since it is a description in a character string, the entire image of the form cannot be grasped, the description is troublesome, and there are many errors, and it is impossible to freely change the form and construct a model. there were.
It is important for biological cells such as nerve cells to have generally complex morphology and locally change, in order to express the functions of the biological cells. Therefore, a tool for freely modeling the morphology of a living cell, dividing the morphology into many compartments, and easily simulating local changes progressing in each compartment in a short time was required.
[0003]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application No. 2000-185394
[Non-Patent Document 1] K. Ichikawa, "A-Ce11: graphical user interface for the construction of biochemical 1 reaction mode 1s", Bioinformatics Vol 1.17 (2001), pp. 1-35. 483-484.
[Non-Patent Document 2] Mendes, P (1993) "Biochemistry by numbers: simulation of biochemical paths with Gepathi 3" Trends Biochem. Sci. , 22, pp. 361-363.
[Non-Patent Document 3] Sauro, H .; M. (1993) "SCAMIP: a genera1 purose simulator and metabolic control analysis system" Comp. Applic. Biosci. , 9, pp. 441-450.
[Non-Patent Document 4] Tomita, M .; , Hashimoto, K .; , Takahashi, K .; Shimizu, T .; S. , Matsuzaki, Y .; Miyoshi, F .; , Saito, K .; , Tanida, S .; Yugi, K .; Venter, J. et al. C. , And Hutchison III, C.I. A. (1999) "E-Ce11: software environment for whole-cell simulation", Bioinfo. , 15, pp. 72-84.
[Non-Patent Document 5] Wi1son, M .; A. Bhalla, U.S.A. S. Uhley, J .; D. , And Bower, J .; M. (1989) "GENESIS: A system for simulating neural networks. In" Advances in Neural Information Processing Systems. D. Tourtzky, editor. See Morgan Kaufmann, San Mateo, CA. Pp. 485-492
[Non-Patent Document 6] Hines, M .; (1993) "NEURON-a program for simulation of neural equations", Neural Systems: Analysis and Modeling, Ed. F. Eeckman, Kluer Academic Pub. Pp. 127-136
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and generates a morphological model in which a complex morphology of an entire biological cell or a part thereof is generated with a small number of parameters and divided into compartments, and a biochemical reaction and diffusion are performed in each compartment. The whole work of allocating the membrane potential equation, etc. is performed by GUI (Graphical User Interface), and based on the generated morphological model, the biochemical reaction, diffusion, and membrane potential equation allocated to each compartment, etc. It provides an integrated environment for automatically generating simulation programs and graphically displaying the results.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
[Data structuring device]
In order to achieve the above object, an apparatus for modeling a reaction in a biological cell according to the present invention comprises: a form generating means for generating a form of a biological cell; and a form for graphically displaying the form of the biological cell generated by the form generating means. A display unit; and an allocating unit that allocates a physical or chemical change model to at least a part of the morphology of the biological cell generated by the morphological generation unit.
[0005]
Preferably, the morphological generating means has a dividing means for dividing the form of the biological cell into compartments, and the morphological display means displays the form of the biological cell in a state where the morphological display is divided by the dividing means. .
[0006]
Preferably, the allocating means allocates the change model for each compartment divided by the dividing means.
[0007]
Preferably, the morphology display means three-dimensionally displays the morphology of the biological cell.
[0008]
Preferably, the allocating unit receives a specifying operation of specifying one or more compartments from among the compartments displayed three-dimensionally by the morphological display unit, and allocates the change model to the specified compartment.
[0009]
Preferably, a spatio-temporal simulation of a biological substance is performed based on the form of the biological cell generated by the form generating means and the change model assigned to the form of the biological cell by the assigning means. There is further provided a program generation means for generating a numerical calculation program.
[0010]
Preferably, the apparatus further comprises a result display unit for graphically displaying an execution result of the numerical calculation program generated by the program generation unit.
[0011]
Preferably, the form generation means has at least one basic form as a template, and the form display means displays at least one of the basic forms.
[0012]
Preferably, the morphology generating means generates a morphology of the nerve cell in response to the input of the parameter, and the morphology display means displays the morphology of the nerve cell generated by the morphology generation means.
[0013]
Preferably, the morphological generation means generates at least a part of the morphology of the biological cell, and the morphology display means displays at least a part of the morphology of the biological cell generated by the morphological generation means.
[0014]
Preferably, the apparatus further includes attribute setting means for setting at least a part of the compartment divided by the dividing means to a film attribute or a solution attribute.
[0015]
Preferably, the allocating means receives a specification operation for specifying a plurality of compartments at a specific position, and allocates the change model to the compartment at the specified specific position.
[0016]
Preferably, the morphology display means displays a cross section of the morphology of the biological cell, and the allocating means receives a designation operation of designating one or more compartments from compartments in the displayed cross section, and designates the designated section. Assign the change model to a compartment.
[0017]
Preferably, there is further provided a canceling means for canceling the assigned change model with respect to at least a part of the form of the biological cell to which the change model is assigned by the assigning means.
[0018]
Preferably, the apparatus further includes a confirmation display unit that accepts a designation operation for designating at least a part of the form of the biological cell displayed by the form display unit and confirms a change model assigned to the designated part.
[0019]
Preferably, a variable input means for accepting a variable relating to a substance contained in the compartment in association with a film attribute or a solution attribute, and the program generating means converts one variable of the film attribute and the solution attribute to the other variable Then, the numerical calculation program is generated.
[0020]
Preferably, the apparatus further includes variable input means for receiving, for each substance contained in the compartment, a diffusion constant in each of the compartment having a membrane attribute and the compartment having a solution attribute.
[0021]
Preferably, the allocating means allocates at least one selected from a biochemical reaction model, an electric equivalent circuit model, and a diffusion model as the change model.
[0022]
Preferably, the morphology of the biological cell generated by the morphological generation means, and the biochemical reaction model, the electrical equivalent circuit model, and the diffusion model allocated to the morphology of the biological cell by the allocating means And a program generation means for generating a numerical calculation program for performing a spatiotemporal simulation of a biological substance based on the above.
[0023]
Preferably, based on the form of the biological cell generated by the form generating means and the electrical equivalent circuit allocated to the form of the biological cell by the allocating means, the potential propagation in the biological cell And a program generation means for generating a numerical calculation program for performing the simulation.
[0024]
Preferably, the program generation means includes a membrane potential based on a biochemical change in a biological cell based on a relationship among a biochemical reaction parameter having a solution attribute, a biochemical reaction parameter having a membrane attribute, and a parameter of an electrical equivalent circuit. Generate a numerical calculation program that simulates the change of
[0025]
Preferably, based on the execution result of the numerical calculation program generated by the program generating means, the spatiotemporal change of the biological substance and the local potential in the biological cell represents the biological substance and the local potential at two or more time points. The image processing apparatus further includes a result display unit for displaying the image using the image.
[0026]
Preferably, the result display means displays a spatiotemporal change of a biological substance and a local potential in a cross section of the biological cell.
[0027]
Preferably, there is further provided a graph display means for receiving a designation operation for designating a part of the biological cell and graphically displaying a change over time of a biological substance and a local potential with respect to the designated part based on the numerical calculation program.
[0028]
Further, the method for modeling a reaction in a biological cell according to the present invention generates a form of a biological cell, graphically displays the form of the generated biological cell, and at least a part of the form of the generated biological cell, Assign a physical or chemical change model.
[0029]
Also, the program according to the present invention, in a biological intracellular reaction modeling device including a computer, a step of generating a form of a biological cell, a step of graphically displaying the generated form of the biological cell, Allocating a physical or chemical change model to at least a part of the morphology of the biological cell.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a hardware configuration of a biological intracellular
[0031]
FIG. 2 is a diagram exemplifying a configuration of a
Further, the
The
[0032]
The
The template of the
[0033]
The
The
[0034]
The
[0035]
The allocating unit 530 allocates a change model to a compartment according to an operation of the operator. First, the change
[0036]
The
[0037]
The
In addition, the
[0038]
When receiving an initial value such as a substance amount from the operator, the
The
[0039]
The model input /
[0040]
[Display screen]
Next, a display screen for inputting a variable or the like and displaying a result will be described.
FIG. 3 is a diagram exemplifying a template of a morphological model displayed on the
As shown in FIG. 3, the
The
A
The
The
[0041]
FIG. 4 is a diagram illustrating a template edited by the
As shown in FIG. 4, when the desired morphological model is not included in the template, the
[0042]
FIG. 5 is a diagram illustrating a division
As shown in FIG. 5, the
Further, the split
[0043]
FIG. 6 is a diagram exemplifying a morphological model displayed on the
As shown in FIG. 6,
The
The
The form
[0044]
FIGS. 7A and 7B are diagrams exemplifying a screen in which the allocating unit 530 receives a change model allocating operation.
When the operator specifies a predetermined compartment in the morphological model displayed by
Also, as shown in FIG. 7B, when the operator displays a cross section of the morphological model on the
[0045]
FIG. 8 is a diagram illustrating a change
As shown in FIG. 8, the change
[0046]
FIG. 9 is a diagram illustrating a symbol
As shown in FIG. 9, the symbol
The
The
The attribute input area 754 receives an operation for setting a film attribute or a solution attribute. The diffusion
As described above, when the substances of the change model are classified into an insoluble substance (that is, a membrane attribute) and a soluble substance (that is, a solution attribute), the
By performing the conversion in this manner, the reaction between the film attribute substance and the solution substance can be handled in a unified manner.
[0047]
FIG. 10 is a diagram exemplifying a
As shown in FIG. 10, the
[0048]
FIG. 11 is a diagram exemplifying an initial value window 770 for receiving an initial value of a program generated by the
As shown in FIG. 11, the initial value window 770 displays a
[0049]
FIG. 12 is a diagram illustrating a
As shown in FIG. 12, the
[0050]
FIG. 13 is a diagram illustrating a
As shown in FIG. 13, the
[0051]
FIG. 14 is a diagram illustrating a
As shown in FIG. 14, the
[0052]
[motion]
Next, an operation of constructing a model of a biological cell using the biological intracellular
FIG. 15 is a flowchart of the spatiotemporal simulation process (S10) using the biological intracellular
As shown in FIG. 15, in step 100 (S100), when the operator clicks on
[0053]
In step 120 (S120), the biological cell is composed of a cytoplasm filled with a water-soluble substance and a cell membrane surrounding the cytoplasm. In order to simulate a biochemical reaction and a membrane potential, the cell must be distinguished from the cell membrane. Therefore, the operator sets a membrane attribute or a solution attribute for each compartment of the morphological model in the
[0054]
In step 130 (S130), when accepting the designation of a compartment in form
[0055]
In step 150 (S150), when the toolbar 702d of the
[0056]
In step 160 (S160), after compiling the generated spatiotemporal program, the
[0057]
In step 170 (S170), when the start of the simulation is instructed, the
[0058]
In step 180 (S180), the
[0059]
FIG. 16 is a flowchart illustrating the form model setting process (S100) shown in FIG. 15 in more detail.
As shown in FIG. 16, in step 102 (S102), when the operator clicks on
In step 104 (S104), when deforming the selected template, the operator inputs morphological parameters. The
In step 106 (S106), the
In step 110 (S110), the
In step 112 (S112), the
[0060]
FIG. 17 is a flowchart illustrating the change model setting process (S130) illustrated in FIG. 15 in more detail.
As shown in FIG. 17, in step 132 (S132),
In step 134 (S134), the
In step 136 (S136), the
In step 140 (S140), when the operator clicks a compartment in morphological
In step 141 (S141), the operator clicks one of the displayed
In step 142 (S142), the
In step 144 (S144), the
In step 146 (S146), the
In step 148 (S148), when the operator inputs that the change model setting process is to be ended, the
[0061]
FIG. 18 is a flowchart illustrating the result display process (S180) illustrated in FIG. 15 in more detail.
As shown in FIG. 18, in step 182 (S182), the operator selects a display method of the simulation result. The
In step 184 (S184), the
In step 186 (S186), when the operator clicks a desired compartment in the result display area of the
In step 188 (S188), the
In step 190 (S190), the
In this way, the
[0062]
As described above, the biological intracellular
[0063]
[Modification]
In addition, there are many types of substances (particularly proteins) in living cells, and it is difficult to construct a model including all the change models. Therefore, it is realistic that a plurality of operators respectively build models, and integrate files of the built models to build a model in a biological cell.
Therefore, the biological cell
[0064]
FIG. 19 is a flowchart in the case where the biological intracellular
As shown in FIG. 19, in step 200 (S200), the model input /
In step 205 (S205), the decoding unit 554 decodes the read model file and outputs it to the
In step 210 (S210), the
The
In step 215 (S215), the change
In step 220 (S220), when the operator instructs to output the model file, the
[0065]
In this way, by encrypting the model file, it is possible to prevent tampering of the model. Further, by managing the editing history, it is possible to ensure the honor of the model builder and to inform the editing process and the like.
[0066]
Further, the
At this time, it is preferable that the biological intracellular
[0067]
【The invention's effect】
【The invention's effect】
As described above, the biological intracellular reaction modeling device according to the present invention can support spatiotemporal simulation of changes in biological cells.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a hardware configuration of a biological intracellular
FIG. 2 is a diagram exemplifying a configuration of a
FIG. 3 is a diagram exemplifying a template of a morphological model displayed on a
FIG. 4 is a diagram exemplifying a template edited by a
FIG. 5 is a diagram illustrating a division
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a form model displayed on a
FIGS. 7A and 7B are diagrams exemplifying screens in which an allocating unit 530 receives a change model allocating operation;
FIG. 8 is a view exemplifying a change
FIG. 9 is a diagram illustrating a symbol
FIG. 10 is a diagram exemplifying a
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an initial value window 770 for receiving an initial value of a program generated by the
FIG. 12 is a diagram illustrating a
FIG. 13 is a diagram illustrating a
FIG. 14 is a diagram illustrating a
FIG. 15 is a flowchart of a spatiotemporal simulation process (S10) using the intracellular
FIG. 16 is a flowchart illustrating the form model setting process (S100) shown in FIG. 15 in more detail;
FIG. 17 is a flowchart illustrating the change model setting process (S130) illustrated in FIG. 15 in more detail.
18 is a flowchart illustrating the result display process (S180) illustrated in FIG. 15 in more detail.
FIG. 19 is a flowchart in the case where the biological intracellular
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a morphological description script for modeling the morphology of a cell.
[Explanation of symbols]
2 ... Data structuring device
22 Monitor
24 ・ ・ ・ Input device
26 Processing unit
262 ... CPU
264 ... memory
28 ・ ・ ・ Recording device
280: Recording medium
29 ・ ・ ・ Communication device
5 ... Reaction modeling program
502: template display unit
504: Form editor section
510 ... form generation unit
512: division unit
520... Form display unit
522... Attribute setting unit
530 ··· Assignment section
532... Change model display section
534: Confirmation display section
536 ・ ・ ・ Cancellation unit
540... Variable input section
542: Program generation unit
544... Program execution unit
546: Result display section
550 ・ ・ ・ Model input / output unit
552: encryption unit
554... Decoding part
556: Change history management unit
Claims (26)
前記形態生成手段により生成された生物細胞の形態をグラフィック表示する形態表示手段と、
前記形態生成手段により生成された生物細胞の形態の少なくとも一部に、物理的または化学的な変化モデルを割り付ける割付手段と
を有する生物細胞内反応モデル化装置。A morphological generating means for generating a morphology of a biological cell,
Form display means for graphically displaying the form of the biological cell generated by the form generation means,
An intracellular reaction modeling apparatus, comprising: an assignment unit that assigns a physical or chemical change model to at least a part of the form of the biological cell generated by the form generation unit.
前記形態表示手段は、前記分割手段により分割された状態で、前記生物細胞の形態を表示する
請求項1に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The morphological generating means has a dividing means for dividing the form of the biological cell into compartments,
The biological intracellular reaction modeling device according to claim 1, wherein the morphological display means displays the morphology of the biological cell in a state where the biological cell is divided by the dividing means.
請求項2に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological intracellular reaction modeling device according to claim 2, wherein the allocating unit allocates the change model for each compartment divided by the dividing unit.
請求項3に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological cell intracellular reaction modeling apparatus according to claim 3, wherein the morphological display means displays the morphology of the biological cell three-dimensionally.
請求項4に記載の生物細胞内反応モデル化装置。5. The allocating unit according to claim 4, wherein the allocating unit receives a specification operation for specifying one or more compartments from the compartments displayed three-dimensionally by the morphological display unit, and allocates the change model to the specified compartment. 6. Biological cell modeling system.
をさらに有する請求項1〜5のいずれかに記載の生物細胞内反応モデル化装置。A numerical calculation program for performing a spatiotemporal simulation of a biological substance based on the form of the biological cell generated by the form generating means and the change model assigned to the form of the biological cell by the assigning means. The biological intracellular reaction modeling device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a program generating means for generating the program.
をさらに有する請求項6に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological intracellular reaction modeling apparatus according to claim 6, further comprising a result display unit that graphically displays an execution result of the numerical calculation program generated by the program generation unit.
前記形態表示手段は、前記基本形態の少なくとも1つを表示する
請求項1〜7のいずれかに記載の生物細胞内反応モデル化装置。The form generating means has at least one basic form as a template,
The biological intracellular reaction modeling device according to any one of claims 1 to 7, wherein the morphological display means displays at least one of the basic morphologies.
前記形態表示手段は、前記形態生成手段により生成された神経細胞の形態を表示する
請求項1〜7のいずれかに記載の生物細胞内反応モデル化装置。The morphology generating means generates a morphology of a nerve cell according to the input of the parameter,
The biological intracellular reaction modeling device according to any one of claims 1 to 7, wherein the morphological display means displays a morphology of the nerve cell generated by the morphological generation means.
前記形態表示手段は、前記形態生成手段により生成された前記生物細胞の少なくとも一部の形態を表示する
請求項1〜7のいずれかに記載の生物細胞内反応モデル化装置。The morphological generation means generates at least a part of the morphology of the biological cell,
The biological intracellular reaction modeling device according to any one of claims 1 to 7, wherein the morphological display means displays at least a part of the morphology of the biological cell generated by the morphological generation means.
をさらに有する請求項2〜10のいずれかに記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological intracellular reaction modeling apparatus according to any one of claims 2 to 10, further comprising an attribute setting unit configured to set at least a part of the compartment divided by the dividing unit to a membrane attribute or a solution attribute.
請求項1に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological intracellular reaction modeling apparatus according to claim 1, wherein the allocating unit receives a specification operation for specifying a plurality of compartments at a specific position and allocates the change model to the specified compartment at the specific position.
前記割付手段は、表示された断面におけるコンパートメントから1つ以上のコンパートメントを指定する指定操作を受け付けて、指定されたコンパートメントに前記変化モデルを割り付ける
請求項4に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The form display means displays a cross section of the form of the biological cell,
The biological intracellular reaction modeling apparatus according to claim 4, wherein the allocating means receives a specification operation of specifying one or more compartments from the compartments in the displayed cross section, and allocates the change model to the specified compartment.
をさらに有する請求項1に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological intracellular reaction modeling apparatus according to claim 1, further comprising a canceling unit for canceling the assigned change model with respect to at least a part of the form of the biological cell to which the change model is assigned by the assigning unit.
をさらに有する請求項1に記載の生物細胞内反応モデル化装置。2. The confirmation display unit according to claim 1, further comprising a confirmation display unit that receives a designation operation for designating at least a part of the form of the biological cell displayed by the form display unit and confirms a change model assigned to the designated part. Biological cell modeling system.
前記プログラム生成手段は、膜属性および溶液属性の一方の変数を他方の変数に変換して、前記数値計算プログラムを生成する
請求項6に記載の生物細胞内反応モデル化装置。Variable input means for accepting variables related to the substance contained in the compartment in association with a membrane attribute or a solution attribute,
7. The biological intracellular reaction modeling device according to claim 6, wherein the program generation means converts one of the membrane attribute and the solution attribute into the other variable to generate the numerical calculation program.
をさらに有する請求項2に記載の生物細胞内反応モデル化装置。3. The biological intracellular reaction modeling apparatus according to claim 2, further comprising a variable input unit that receives, for each substance included in the compartment, a diffusion constant in each of the membrane attribute compartment and the solution attribute compartment.
請求項1に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The biological intracellular reaction modeling device according to claim 1, wherein the allocating means allocates at least one selected from a biochemical reaction model, an electrical equivalent circuit model, and a diffusion model as the change model.
をさらに有する請求項18に記載の生物細胞内反応モデル化装置。Based on the form of the biological cell generated by the form generating means and the biochemical reaction model, the electrical equivalent circuit model, and the diffusion model assigned to the form of the biological cell by the assigning means. 19. The biological intracellular reaction modeling apparatus according to claim 18, further comprising a program generating means for generating a numerical calculation program for performing a spatiotemporal simulation of a biological substance.
をさらに有する請求項18に記載の生物細胞内反応モデル化装置。Simulation of potential propagation in the biological cell is performed based on the form of the biological cell generated by the form generating means and the electrical equivalent circuit allocated to the form of the biological cell by the allocating means. 19. The biological intracellular reaction modeling device according to claim 18, further comprising a program generating means for generating a numerical calculation program.
をさらに有する請求項19に記載の生物細胞内反応モデル化装置。Based on the execution result of the numerical calculation program generated by the program generating means, the spatio-temporal change of the biological substance and the local potential in the biological cell is calculated using images representing the biological substance and the local potential at two or more time points. 20. The biological intracellular reaction modeling device according to claim 19, further comprising a result display means for displaying.
をさらに有する請求項19に記載の生物細胞内反応モデル化装置。20. The apparatus according to claim 19, further comprising: a graph display unit that receives a designation operation of designating a part of the biological cell, and graphically displays a temporal change of a biological substance and a local potential with respect to the designated part based on the numerical calculation program. Biological reaction modeling equipment.
生成された前記生物細胞の形態をグラフィック表示し、
操作者からの指示に応じて、生成された前記生物細胞の形態の少なくとも一部に、物理的または化学的な変化モデルを割り付ける生物細胞内反応モデル化方法。Produce the morphology of biological cells,
Graphically display the generated form of the biological cell,
A method for modeling a reaction in a biological cell, in which a physical or chemical change model is assigned to at least a part of the generated form of the biological cell in response to an instruction from an operator.
生物細胞の形態を生成するステップと、
生成された前記生物細胞の形態をグラフィック表示するステップと、
生成された前記生物細胞の形態の少なくとも一部に、物理的または化学的な変化モデルを割り付けるステップと
を前記生物細胞内反応モデル化装置のコンピュータに実行させるプログラム。In a biological reaction modeling device including a computer,
Generating a morphology of a biological cell;
Graphically displaying the generated morphology of the biological cell;
Assigning a physical or chemical change model to at least a part of the form of the biological cell thus generated, by a computer of the biological intracellular reaction modeling device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002300250A JP2004129626A (en) | 2002-10-15 | 2002-10-15 | Modeling apparatus for biological cell intracellular reaction and method and program therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002300250A JP2004129626A (en) | 2002-10-15 | 2002-10-15 | Modeling apparatus for biological cell intracellular reaction and method and program therefor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004129626A true JP2004129626A (en) | 2004-04-30 |
Family
ID=32289144
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002300250A Pending JP2004129626A (en) | 2002-10-15 | 2002-10-15 | Modeling apparatus for biological cell intracellular reaction and method and program therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004129626A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101610785B1 (en) * | 2015-09-11 | 2016-04-08 | 한국과학기술정보연구원 | appratus for simulating cell and method for simulating cell |
CN109925597A (en) * | 2019-02-01 | 2019-06-25 | 广州豫本草电子科技有限公司 | A kind of cell rendering method based on the logical instrument that weighs |
-
2002
- 2002-10-15 JP JP2002300250A patent/JP2004129626A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101610785B1 (en) * | 2015-09-11 | 2016-04-08 | 한국과학기술정보연구원 | appratus for simulating cell and method for simulating cell |
JP2017054499A (en) * | 2015-09-11 | 2017-03-16 | コリア インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー インフォメーション | Apparatus and method for simulating intracellular responses |
US10490298B2 (en) | 2015-09-11 | 2019-11-26 | Korea Institute Of Science And Technology Information | Simulation apparatus and method for intracellular responses |
CN109925597A (en) * | 2019-02-01 | 2019-06-25 | 广州豫本草电子科技有限公司 | A kind of cell rendering method based on the logical instrument that weighs |
CN109925597B (en) * | 2019-02-01 | 2023-06-09 | 广州唯思冠电子科技有限公司 | Cell presentation method based on Heng Tong instrument |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bravo et al. | Hybrid Automata Library: A flexible platform for hybrid modeling with real-time visualization | |
Junker et al. | VANTED: a system for advanced data analysis and visualization in the context of biological networks | |
Andrews et al. | The CoSMoS process, version 0.1: A process for the modelling and simulation of complex systems | |
Schaff et al. | The virtual cell | |
Urban Davis et al. | Designing co-creative ai for virtual environments | |
Vehlow et al. | Visual analysis of biological data-knowledge networks | |
Afsarmanesh et al. | VLAM-G: A Grid-based virtual laboratory | |
Johnson et al. | Biomedical computing and visualization software environments | |
Nalluri et al. | MACHINE LEARNING AND IMMERSIVE TECHNOLOGIES FOR USER-CENTERED DIGITAL HEALTHCARE INNOVATION | |
US20030194687A1 (en) | Apparatus and method for monitoring the validity of a molecular model | |
Kuťák et al. | Vivern–a virtual environment for multiscale visualization and modeling of DNA nanostructures | |
Bown et al. | Engineering simulations for cancer systems biology | |
Vázquez-Ingelmo et al. | Bringing machine learning closer to non-experts: proposal of a user-friendly machine learning tool in the healthcare domain | |
Gostner et al. | Graphical modeling tools for systems biology | |
Galindo et al. | ViSimpl: multi-view visual analysis of brain simulation data | |
JP2004129626A (en) | Modeling apparatus for biological cell intracellular reaction and method and program therefor | |
Sandak et al. | Computational paradigm to elucidate the effects of Arts-based approaches and interventions: Individual and collective emerging behaviors in artwork construction | |
Bravo et al. | Hybrid Automata Library: A modular platform for efficient hybrid modeling with real-time visualization | |
Liu et al. | Cognitive architecture based platform on human performance evaluation for space manual control task | |
Walker et al. | Models and simulations as a service: exploring the use of galaxy for delivering computational models | |
Kraemer et al. | Molecules to maps: tools for visualization and interaction in support of computational biology. | |
CN111033638A (en) | Genetic disease modeling | |
New et al. | Dynamic visualization of coexpression in systems genetics data | |
Johnson et al. | Biomedical computing and visualization | |
US8548744B1 (en) | Computer-implemented cellular modeling having parallel pathways |