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 PDF

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Kazuhisa Ichikawa
市川 一寿
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a modeling apparatus for intracellular reaction in biological cells that can assist the time and space simulation of the change in biological cells. <P>SOLUTION: The complicated shapes of the whole part or a part of biological cells are divided into compartments with a reduced number of parameters to form a model. Then, the whole work for allocating biochemical reactions, diffusion and membrane potential equations to individual compartments are carried out through GUI (graphical user interface), in addition, to generate the simulation program and display the results graphically. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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 (Patent Document 1 and Non-Patent Document 1), GEPASI (Non-Patent Document 2), SCAMP (Non-Patent Document 3), E-Ce11 (Non-Patent Document 4) and the like are known. In these systems, it is possible to model and simulate a membrane potential described by a biochemical reaction or the Hodgkin-Huxley equation. However, they could not model the complex neuronal morphology and treated the whole cell as a homogeneous point model. Therefore, it has not been possible to simulate the effects of changes in biochemical substances and membrane potential locally occurring in cells on signal processing and cell physiology of nerve cells.
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 reaction modeling device 2 according to the present invention. As shown in FIG. 1, a biological intracellular reaction modeling device 2 includes a monitor 22 such as an LCD display or a CRT display, an input device 24 such as a keyboard and a pointing device, a processing device 26 including a CPU 262 and a memory 264, and the like. It comprises a recording device 28 such as an HDD / CD device and a communication device 29.
[0031]
FIG. 2 is a diagram exemplifying a configuration of a reaction modeling program 5 that is executed by the biological cell reaction modeling device 2 and realizes the biological cell reaction modeling method according to the present invention. As shown in FIG. 2, the reaction modeling program 5 includes a template display unit 502, a form editor unit 504, a form generation unit 510, a form display unit 520, an attribute setting unit 522, an allocation unit 530, a variable input unit 540, and a program generation unit. A unit 542, a program execution unit 544, a result display unit 546, and a model input / output unit 550.
Further, the form generation unit 510 includes a division unit 512, and the allocation unit 530 includes a change model display unit 532, a confirmation display unit 534, and a cancellation unit 536. The model input / output unit 550 includes an encryption unit 552, a decryption unit 554, and a change history management unit 556.
The reaction modeling program 5 is supplied to the control device 26 via the recording medium 280, for example, and is loaded into the memory 264 and executed.
[0032]
The template display unit 502 has a basic form of a morphological model corresponding to a part of a biological cell or the entire three-dimensional shape of a biological cell as a template in advance, and displays these templates on the monitor 22. When detecting the selection of a template via the input device 24, the template display unit 502 notifies the selected template to the form generation unit 510.
The template of the template display unit 502 may be edited by the form editor 504. The form editor 504 may deform a prepared template or construct a form model from the beginning according to the operation of the operator. For example, when an operator constructs a morphological model of a neuron, an algorithm for automatically generating the morphology of dendrites (for example, Tamori, Y., Phys. Rev. E, Vol. 48 (1993), pp. 3124) (See −3129) to generate a morphological model composed of complicated dendrites by specifying a small number of parameters.
[0033]
The division unit 512 determines the division position of the template according to the number of divisions input by the operator. The form generation unit 510 generates a form model obtained by dividing the form of the template notified from the template display unit 502 at the division position determined by the division unit 512, and outputs the generated form model to the form display unit 520. Each component of the morphological model divided by the dividing unit 512 is called a compartment.
The form display unit 520 displays the form model input from the form generation unit 510 on the monitor 22. In addition, the form display unit 520 performs rotation, enlargement, reduction, cross-sectional display, and the like of the form model according to the operation of the operator.
[0034]
The attribute setting unit 522 sets each compartment to a membrane attribute or a solution attribute according to an operation by the operator. Here, the membrane attribute means having the property of a biological membrane of a biological cell, and a variable or the like is set in the compartment set as the membrane attribute so as to indicate the property as a biological membrane. The solution attribute means having the property of a soluble substance in a biological cell, and a variable or the like is set in the compartment set in the solution attribute so as to indicate, for example, the property as a cytoplasm.
[0035]
The allocating unit 530 allocates a change model to a compartment according to an operation of the operator. First, the change model display unit 532 generates and displays a differential equation of a biochemical reaction model and a membrane potential model by a method disclosed in, for example, JP-A-2002-007380. The allocating unit 530 allocates the generated differential equation to each compartment according to an operation of the operator. When the operator checks the assigned change model, the confirmation display unit 534 displays information indicating the assigned change model in accordance with the operation of the operator. When the operator cancels the assigned change model, the canceling unit 536 cancels the assigned change model according to the operation of the operator. Here, the change model is a model indicating a chemical and physical change occurring in a biological cell, and includes an external stimulus model, a biochemical reaction model, an electrical equivalent circuit model, and the like.
[0036]
The variable input unit 540 receives, from the operator via the input device 24, variables indicating the amount of substance (concentration, etc.) and the diffusion constant contained in each compartment in association with the film attribute or the solution attribute, and the program generation unit. 542.
[0037]
The program generation unit 542 is based on the morphological model input from the morphological display unit 520, the attribute input from the attribute setting unit 522, the change model input from the allocation unit 530, and the variable input from the variable input unit 540. Thus, a program for simulating a biochemical reaction and potential propagation occurring in a biological cell is generated and output to the program execution unit 544. For example, the program generation unit 542 constructs a spatio-temporal model that reflects the influence of diffusion occurring in the morphological model on the change model (biochemical reaction model, electrical equivalent circuit, etc.) assigned to each compartment, Converts spatio-temporal dynamics into a simulation program that performs numerical integration.
In addition, the program generation unit 542 outputs a model constructed based on the morphological model and the change model to the model input / output unit 550.
[0038]
When receiving an initial value such as a substance amount from the operator, the program execution unit 544 executes the program input from the program generation unit 542, performs a numerical simulation, and outputs a simulation result to the result display unit 546. . As described above, since the initial conditions are generated independently as a separate file from the program generated by the program generation unit 542, simulations under various initial conditions can be performed without recompiling the program.
The result display unit 546 causes the monitor 22 to display the simulation result input from the program execution unit 544 in a display method according to the operator's request.
[0039]
The model input / output unit 550 inputs / outputs a model file (hereinafter, a model file) obtained by integrating the morphological model and the change model to / from an external terminal via the recording device 28 or the communication device 29. The encryption unit 552 encrypts a model file to be output to the outside. Further, the decryption unit 554 decrypts the model file input from the outside and outputs it to the program generation unit 542. The change history management unit 556 encrypts the edit history such as the name of the editor who constructed or changed the model file, its affiliation, and the date and time of the edit, and attaches the encrypted edit history to the model file.
[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 monitor 22 by the template display unit 502.
As shown in FIG. 3, the template display unit 502 displays a main window 700 and child windows such as a template window 710. The main window 700 and the child windows can be operated independently to change the display position and the display area.
The main window 700 displays a toolbar 702 and a main display area 730.
A toolbar 702 is a clickable area for receiving file operations, printing, display changes, and the like. For example, the toolbars 702a, 702b, 702c, 702d, 702e, and 702f respectively display a morphological model template, assign a change model, display a symbol list (such as a substance name), generate a simulation program, and input an initial value. An operation for instructing display of a screen is received.
The main display area 730 displays a morphological model, a simulation result, and the like.
The template window 710 displays a template 712 of the morphological model. The templates 712a, 712b, 712c, 712d, 712e, and 712f are morphological models corresponding to a part or whole shape of a biological cell, and are models having shapes of a rectangular parallelepiped, a cylinder, a sphere, a cone, a spine, and a neuron, respectively. is there.
[0041]
FIG. 4 is a diagram illustrating a template edited by the form editor 504.
As shown in FIG. 4, when the desired morphological model is not included in the template, the morphological editor 504 can generate the desired morphological model by receiving a small number of parameters from the operator. This figure shows an example in which the morphological editor 504 has generated a morphological model of a neuron.
[0042]
FIG. 5 is a diagram illustrating a division variable input window 720 displayed on the monitor 22 by the division unit 512.
As shown in FIG. 5, the division unit 512 displays a division variable input window 720 for receiving the number of divisions and the size of the morphological model as a child window. The division variable input window 720 displays, for each part constituting the morphological model, a size input area 722 for receiving the size of this part and a division number input area 724 for receiving the number of divisions for dividing this part. The size input area 722 and the division number input area 724 are provided, for example, for each part of the morphological model divided based on the size and shape. In the case of this example, a size input area 722a and a division number input area 724a are provided in the spherical part of the spine, and a size input area 722b and a division number in the rotationally symmetric axis direction are provided in the cylindrical part connected to the spherical part. An input area 724b, a size input area 722d and a division number input area 724d are provided in the diameter direction of the cylinder, respectively.
Further, the split variable input window 720 displays an attribute input area 728 in each part of the morphological model. The attribute input area 728 receives an operation for setting a film attribute or a solution attribute for each part of the morphological model.
[0043]
FIG. 6 is a diagram exemplifying a morphological model displayed on the monitor 22 by the morphological display unit 520.
As shown in FIG. 6, form display section 520 displays compartment designation area 734, variable display area 736 and form model display area 738 in main display area 730. The compartment designation area 734 accepts an operation for setting a compartment designation method. For example, the compartment designation area 734a allows designation of one compartment by a click operation of the operator.
The compartment designation areas 734b, 734c, 734d, and 734e allow designation of a plurality of compartments at a specific position. For example, the compartment designation area 734b allows a batch designation of compartments located on the surface of the morphological model by a click operation of the operator, and the compartment designation area 734c allows batch designation of all compartments located on the surface. In addition, the compartment designation area 734d enables collective designation of all compartments included in the morphological model, and the compartment designation area 734e allows collective designation of all compartments located inside the morphological model.
The variable display area 736 displays the file name of the form model, the number of compartments included in the form model, and the size of the compartment in order from the top.
The form model display area 738 displays the form model in a state divided into compartments. The morphological model display area 738 can change the size of the morphological model or rotate the morphological model according to an operation on the toolbar 702.
[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 morphological display section 520, allocating section 530 changes the display of the specified compartment and allocates menu 739 as shown in FIG. Is displayed. The allocation menu 739 includes a change model allocation (Embed Reaction), a display for confirming the allocated change model (View Embedded Reaction), a symbol list (Symbol List), a symbol status (Symbol Status), and a temporary deletion of a compartment ( Invisible) and release of the compartment temporary deletion state (Visible) are displayed as a menu, and any of these is received.
Also, as shown in FIG. 7B, when the operator displays a cross section of the morphological model on the morphological display unit 520 and specifies a compartment in the displayed cross section, the allocation unit 530 allocates the cross section to the compartment. Accept the operation.
[0045]
FIG. 8 is a diagram illustrating a change model display window 740 displayed on the monitor 22 by the change model display unit 532.
As shown in FIG. 8, the change model display window 740 displays an external stimulus model area 742, a biochemical reaction model area 744, and a differential equation area 746. The external stimulus model area 742 receives an external stimulus model. The biochemical reaction model area 744 receives a biochemical reaction model in the form of a chemical reaction expression. The differential equation area 740 receives a model of a chemical reaction, a physical phenomenon, or the like in a differential equation display format.
[0046]
FIG. 9 is a diagram illustrating a symbol list display window 750 displayed on the monitor 22 by the variable input unit 540.
As shown in FIG. 9, the symbol list display window 750 includes a variable display 752 for displaying variables set for the substances included in the compartment, and an attribute input area 754 for receiving an input of an attribute (membrane attribute or solution attribute) for each variable. , A diffusion constant input area 756 for receiving an input of a diffusion constant, and a global symbol setting area 758 for receiving a setting of a global symbol.
The variable input unit 540 generates a differential equation for calculating the flow of the substance between the compartments based on the input diffusion constant, and is combined with the differential equation of the biochemical reaction generated by the allocation unit 530. Thus, the reaction modeling program 5 automatically generates a reaction diffusion equation.
The variable display 752 displays the set substance amount and the like in association with the attribute. In this example, "M" shown at the left end indicates that the attribute is set to the film attribute.
The attribute input area 754 receives an operation for setting a film attribute or a solution attribute. The diffusion constant input area 756 receives the input of the diffusion constant of each substance. The global symbol setting area 758 receives global symbol settings. The global symbol is a flag set for a variable that shows uniform behavior in the morphological model. Since the variable in which the global symbol is set shows a uniform behavior throughout the morphological model, it is set so as to directly refer to the value calculated in one place. That is, the calculation amount can be reduced by setting the global symbol.
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 variable input unit 540 displays the biochemistry between the membrane attribute substance and the solution attribute substance. Perform the transformation in the reaction. This conversion is necessary because the method of expressing the concentration is different between a substance with a film attribute and a substance with a solution attribute. When converting a substance “M” with a film attribute to a substance “S” with a solution attribute, Calculated as "S" = Aa * "M". Here, Aa = 1 / (NA * v), NA is Avogadro's number, and v is the compartment volume.
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 program window 760 displaying the program generated by the program generation unit 542.
As shown in FIG. 10, the program window 760 displays a program generation button 762, a program write button 764, and a program display area 766. When the program generation button 762 is clicked or the like, the program generation unit 542 generates a program for performing a numerical simulation in a predetermined program language (C language in this example) based on the morphological model and the change model. When the program write button 764 is clicked or the like, the model input / output unit 550 writes the generated program to the hard disk. The program display area 766 displays the generated program.
[0048]
FIG. 11 is a diagram exemplifying an initial value window 770 for receiving an initial value of a program generated by the program generating unit 542.
As shown in FIG. 11, the initial value window 770 displays a calculation parameter area 772, a symbol parameter area 776, and a substance amount parameter area 778. The calculation parameter area 772 displays the initial value file name, the file name of the simulation result, the total time for performing the simulation, the unit time of the operation in the numerical simulation, and the time interval for outputting the result of the numerical simulation. Accept. The symbol parameter area 776 displays a list of symbols processed in the simulation and a list of symbols to be output. The substance amount parameter area 778 displays the initial value of each symbol and accepts these inputs.
[0049]
FIG. 12 is a diagram illustrating a result display window 780 in which the result display unit 546 displays the simulation results in a time series.
As shown in FIG. 12, the result display window 780 displays a parameter display area 782, a display control area 784, and a result display area 786. The parameter display area 782 displays calculation time parameters of the numerical simulation. For example, the parameter display area 782a displays the entire time interval of the numerical simulation, and the parameter display area 782b displays the time interval for outputting the result of the numerical simulation and the calculation time interval in the numerical simulation. The display control area 784 displays the type of output parameter to be output, the page to be output, the display time interval of the slide show, and the like, and accepts an operation for changing them. The result display area 786 displays the morphological model at each time point in 3D graphic display, and displays output parameters (such as the amount of substance) at that time point in graphic form (color display according to numerical values). In this example, a to d in the figure indicate that the substance concentration is larger in order. Each of the regions a to d is displayed so as to be distinguishable by color or pattern. The output parameters are graphically displayed at an arbitrary number of gradations according to a combination of color and density.
[0050]
FIG. 13 is a diagram illustrating a result display window 780 in which the result display unit 546 displays a simulation result in a cross section of the morphological model.
As shown in FIG. 13, the result display area 786 of this example displays a section 786a of the morphological model, and graphically displays output parameters on the section 786a. The position of the cross section 786a in the morphological model can be moved by a toolbar (a button on which an arrow is displayed) provided above the result display window 780.
[0051]
FIG. 14 is a diagram illustrating a graph display window 790 in which the result display unit 546 displays the simulation result in a graph.
As shown in FIG. 14, the graph display window 790 displays an output parameter selection area 792, a graph display area 794, and a numerical value display area 796. The output parameter selection area 792 displays the type of output parameter displayed in a graph, and accepts the selection of the type of output parameter. The graph display area 794 displays a graph in which the selected output parameter is plotted with respect to time. The numerical value display area 796 defines the size of the vertical axis of the graph displayed in the graph display area 794 by the numerical values in the “min” column and the “max” column. Further, the graph display area 794 displays a numerical value (concentration of a substance, etc.) of the simulation result in a “value” column according to the position of the cursor 794a displayed in the graph display area 794.
[0052]
[motion]
Next, an operation of constructing a model of a biological cell using the biological intracellular reaction modeling device 2 and performing spatiotemporal simulation will be described.
FIG. 15 is a flowchart of the spatiotemporal simulation process (S10) using the biological intracellular reaction modeling device 2.
As shown in FIG. 15, in step 100 (S100), when the operator clicks on toolbar 702a of main window 700, template display unit 502 displays a template of the morphological model in template window 710. The operator selects a morphological model similar to the morphology of the biological cell from the displayed templates and deforms the morphological model as necessary.
[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 attribute input area 728 of the split variable input window 720. The attribute setting unit 522 sets a film attribute or a solution attribute to each part of the morphological model according to an instruction in the attribute input area 728.
[0054]
In step 130 (S130), when accepting the designation of a compartment in form model display area 738 of main window 700, allocating section 530 displays layout menu 739 in form model display area 730. When the operator clicks “Embed Reaction” from the allocation menu 739, the allocation unit 530 displays a change model display window 740, and displays an external stimulus model, a biochemical reaction model, and a membrane potential model (electrically equivalent circuit). ) Input is accepted.
[0055]
In step 150 (S150), when the toolbar 702d of the main window 700 is clicked, the program generation unit 542 displays the program window 760 and accepts a spatio-temporal simulation program generation instruction. When the program generation button 762 is clicked, the program generation unit 542 generates a spatio-temporal simulation program and displays it in the program display area 766.
[0056]
In step 160 (S160), after compiling the generated spatiotemporal program, the program execution unit 544 displays the initial value window 770 to perform the simulation, the time interval of the numerical operation, and the material at the start of the simulation. Accepts input of initial parameters such as concentration.
[0057]
In step 170 (S170), when the start of the simulation is instructed, the program execution unit 544 executes the compiled spatiotemporal program to perform a numerical operation on the change in the biological cell based on the input initial parameters. And a spatio-temporal simulation.
[0058]
In step 180 (S180), the result display unit 546 outputs the result of the spatiotemporal simulation.
[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 toolbar 702a of main window 700, template display unit 502 displays a template of the morphological model in template window 710. The operator selects a morphological model similar to the morphology of the biological cell from the displayed templates.
In step 104 (S104), when deforming the selected template, the operator inputs morphological parameters. The reaction modeling program 5 proceeds to the process of S106 when the morphological parameter is input, and proceeds to the process of S110 otherwise.
In step 106 (S106), the form editor 504 receives a form parameter for deforming the form of the form model. In step 108 (S108), the form editor 504 deforms the form of the form model according to the received form parameter.
In step 110 (S110), the division unit 512 displays the division variable input window 720 and accepts the input of the size and the number of divisions of each part of the morphological model.
In step 112 (S112), the form generation unit 510 generates form model data of the size and the number of divisions of the template input in the division variable input window 720. In step 114 (S114), form display unit 520 displays the generated form model data on main window 710.
[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), form display unit 520 displays a form model in form model display area 738 of main window 700.
In step 134 (S134), the change modeling program 5 proceeds to the process of S136 when rotating the morphological model, proceeds to S138 when displaying the cross section of the morphological model, and proceeds to S140 otherwise.
In step 136 (S136), the form display unit 520 displays the rotated form model in the form model display area 738. In step 138 (S138), the form display unit 520 displays a cross section of the form model in the form model display area 738.
In step 140 (S140), when the operator clicks a compartment in morphological model display area 738, allocating section 530 specifies the compartment displayed at the clicked position, and morphological display section 520 specifies the compartment of the specified compartment. The display color is changed, and an allocation menu 739 is displayed.
In step 141 (S141), the operator clicks one of the displayed allocation menus 739. The reaction modeling program 5 proceeds to the process of S142 when “Embedded Reaction” is clicked, proceeds to the process of S144 when “View Embedded Reaction” is clicked, and executes the process when “Symbol List” is clicked. The process proceeds to S146.
In step 142 (S142), the model display unit 532 displays a change model display window 740 to input a change model such as an external stimulus model, a biochemical reaction model, and a membrane potential model (electrically equivalent circuit). Accept. The allocating unit 530 allocates the input change model to the specified compartment.
In step 144 (S144), the confirmation display unit 532 displays the change model assigned to the designated compartment. The operator can check the displayed change model and cancel the change model as necessary.
In step 146 (S146), the variable input unit 540 displays the symbol list display window 750, and receives the input of the concentration, the attribute, and the diffusion constant of the substance in the biological cell, and the designation of the global symbol.
In step 148 (S148), when the operator inputs that the change model setting process is to be ended, the reaction modeling program 5 ends the process of S130, and otherwise moves to the process of S134.
[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 reaction modeling program 5 proceeds to S184 when the 3D display is selected, proceeds to S186 when the graph display is selected, and proceeds to S188 when the cross-sectional display is selected.
In step 184 (S184), the result display unit 546 displays a 3D image showing the morphological model and the concentration of the specific substance at each time in the result display area 786 of the result display window 780. When the operator supports the slide show by inputting the display time interval of the slide show in the display control area 784, the result display unit 546 displays the 3D image at each point in time in the input display time interval.
In step 186 (S186), when the operator clicks a desired compartment in the result display area of the result display window 780, the result display unit 546 displays a simulation result of the clicked compartment in the graph display window 790. . When the operator drags the cursor 794a to change the position on the horizontal axis (time axis), the result display unit 546 displays the substance concentration and the like at the time when the position of the cursor 794a corresponds to the “value” column.
In step 188 (S188), the result display unit 546 displays the section 786a of the morphological model in the result display area 786 of the result display window 780, and graphically displays the substance concentration and the like at each time point on the section 786a.
In step 190 (S190), the reaction modeling program 5 ends the process of S180 when the end of the result display is input, and moves to the process of S182 otherwise.
In this way, the result display window 780 can grasp the whole image, but cannot know the concentration of the substance at a specific time in a specific compartment. Thus, the graph display window 790 graphically displays the time change of the substance in the selected specific compartment, and Displays the value at the cursor time. The result display unit 546 displays the inside by cutting at an arbitrary cross section in addition to these display methods.
[0062]
As described above, the biological intracellular reaction modeling apparatus 2 of the present invention can easily model a complex form of a biological cell, particularly a nerve cell by designating a small number of parameters, and can proceed with a variety of proteins progressing there. By graphically constructing a model for biochemical reaction diffusion and generation / propagation of membrane potential, the problem of character-based script expression, which was a It enables the realization of an environment. The present invention has not provided a great utility when the actual biological cells are handled in an extremely simplified manner as in the conventional models. However, in the case of constructing a model of all proteins in a cell on a computer in consideration of cell morphology, which is a major goal of life science in the future, it is complicated without the graphical integrated environment enabled by the present invention. It is difficult to construct uncertain biological cell models and realize bioinformatics.
[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 reaction modeling device 2 can read and use a model file from the outside.
[0064]
FIG. 19 is a flowchart in the case where the biological intracellular reaction modeling device 2 reads a model file from the outside and performs a simulation. 19, those substantially the same as those in FIG. 15 are denoted by the same reference numerals.
As shown in FIG. 19, in step 200 (S200), the model input / output unit 550 reads a model file from the recording device 28 or the communication device 29.
In step 205 (S205), the decoding unit 554 decodes the read model file and outputs it to the program generation unit 542.
In step 210 (S210), the program generation unit 542 changes the model file input from the decoding unit 554 according to the input by the operator.
The reaction modeling program 5 proceeds to the processing of S215 when the model file has been changed, and otherwise proceeds to the processing of S150.
In step 215 (S215), the change history management unit 556 adds the name of the person who changed the model file, the affiliation, and the date and time of the change to the edit history list.
In step 220 (S220), when the operator instructs to output the model file, the encryption unit 552 encrypts the model file, and the model input / output unit 550 stores the encrypted model file in the recording device 28 or Output to the outside via the communication device 29.
[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 reaction modeling apparatus 2 for living cells may be connected to a workstation (not shown), and the processing performed by the program execution unit 544 may be executed on the workstation. In this case, the biological intracellular reaction modeling device 2 transmits the program generated by the program generating unit 542 and the initial value input by the operator to the workstation via the communication device 29, and Receive the results of the spatial simulation.
At this time, it is preferable that the biological intracellular reaction modeling device 2 be converted into a program language executable on a workstation (for example, a program language such as C language, Visual Basic, Fortran, etc.) and transmitted.
[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 reaction modeling device 2 according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram exemplifying a configuration of a reaction modeling program 5 that is executed by the biological intracellular reaction modeling device 2 and realizes the biological intracellular reaction modeling method according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram exemplifying a template of a morphological model displayed on a monitor 22 by a template display unit 502;
FIG. 4 is a diagram exemplifying a template edited by a form editor 504;
FIG. 5 is a diagram illustrating a division variable input window 720 displayed on a monitor 22 by a division unit 512.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a form model displayed on a monitor 22 by a form display unit 520.
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 model display window 740 displayed on a monitor 22 by a change model display unit 532.
FIG. 9 is a diagram illustrating a symbol list display window 750 displayed on the monitor 22 by the variable input unit 540.
FIG. 10 is a diagram exemplifying a program window 760 displaying a program generated by a program generation unit 542.
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 program generating unit 542.
FIG. 12 is a diagram illustrating a result display window 780 in which a result display unit 546 arranges and displays simulation results in a time series.
FIG. 13 is a diagram illustrating a result display window 780 in which a result display unit 546 displays a simulation result in a cross section of a morphological model.
FIG. 14 is a diagram illustrating a graph display window 790 in which a result display unit 546 displays a simulation result in a graph.
FIG. 15 is a flowchart of a spatiotemporal simulation process (S10) using the intracellular reaction modeling apparatus 2;
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 reaction modeling device 2 reads a model file from the outside and performs a simulation.
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)

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
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.
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
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.
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
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.
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
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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.
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
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
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.
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.
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
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請求項16に記載の生物細胞内反応モデル化装置。The program generating means simulates a change in membrane potential based on a biochemical change in a biological cell based on a relationship among a biochemical reaction parameter of a solution attribute, a biochemical reaction parameter of a membrane attribute, and a parameter of an electrical equivalent circuit. The biological intracellular reaction modeling device according to claim 16, which generates a numerical calculation program to be executed. 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.
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請求項22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 22, wherein the result display means displays a spatiotemporal change of a biological substance and a local potential in a cross section of the biological cell. 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、
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.
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.
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