ANOTACE PROČ PRO KOHO KONTAKT PROBRÁNO BODY
MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ
V BIOINFORMATICE

ANOTACE

Předmět staví na matematickém modelování a vývoji biologických (zejména buněčných) struktur a procesů, které se in silico simulují.

Budeme se zabývat:

  1. obecným základem modelování a simulací, včetně různých přístupů (zejména z pohledů kompartmentů a jejich interakcí), pročež probereme vhodný a přiměřený matematický základ
  2. aplikací modelů na konkrétní biologické situace - dle publikovaných článků

Studenti si vyzkouší a prozkoumají:

  1. jednoduchý spojitý kompartmentový model imunity a jeho chování včetně klasifikace vývojů systému
  2. propojení modelu s daty
  3. vlastní formulace modelu a jeho implementace
  4. složitější diskrétní buněčný model s aplikacemi na buněčnou diferenciaci a chemotaktický pohyb

Zkoumání je vedeno jak analyticky (co a proč se děje) tak synteticky (vytvoření systému daných vlastností).
Primárně se zaměříme na konstrukci modelů, pochopení jejich vlastností a aplikací. Sekundárně na technicko-implementační techniky a programovací jazyky. Hlubší základy matematiky či programování nejsou pro předmět třeba.

Většinu na přednášce zmíněné látky si prakticky vyzkoušíme. Přičemž si studenti budou moci, dle zájmu, simulovat, konzultovat a diskutovat vlastní modely.

Pracovat budeme v Julia notebooku, který nás odstíní od "technicko-implementačních" věcí i komerečních SW (SimBiology - Matlab, Mathematika) pro vyzkoušení v praxi používaných nástrojů.

Příklad jednoduchého spojitého modelu s imunity dle článku "A basic mathematical model of the immune response; Chaos; DOI: 10.1063/1.166098" (1); návrh modelu, implementace, simulace, prozkoumání jeho chování, i ovlivnění chování modelu (s potenciálem návrhu vhodné léčby).

Podíváme se i na základní diskrétní modely (příklad) s tím "jak málo" stačí ke složitému chování, přičemž se dotkeme i emergentího a chaotického chování (příklad) dynamických systémů.

(1) Mayer H, Zaenker KS, An Der Heiden U. A basic mathematical model of the immune response. Chaos. 1995 Mar; 5:155-161. DOI: 10.1063/1.166098. PMID: 12780168;

MOTIVACE

Bioinformatiku, jako obor, vnímáme ve fázi "střelby na běžící cíl". Nežli se definuje či ustálí vymezení oboru, tak se vzhledem k rychlému vývoji oboru změní. Podobně jako machine learning či artificial inteligence.

V současné bioinformatice zaznamenáváme následující proudy:

  1. stringologie (operace s řetězci a jejich podobností)
  2. molekulární biologie (od genové exprese, přes folding, k reakcím, membránám a procesech na nich, regulacím a další)
  3. statistika, zpracování dat a datamining
  4. modelování, simulační a syntetická biologie

Předmět podporuje v curriculu studia bioinformatiky modelování a simulační část. Nabídne propojení zpracování dat a dataminingu s modelováním a simulacemi.

PRO KOHO

Zejména pro studenty bioinformatiky (lépe od druhého ročníku). I pro zájemce z přírodovědých, informatických, lékařských či jiných oborů, kteří si chtějí rozšířit obzory. Základy matematiky, programování a biologie jsou doporučené.

SYLABUS

  1. Modely a Simulace
    • rozdíly mezi pozorováním, modelem, simulacemi a laboratorním pokusem
    • zjednodušení reality
    • kde a jak vznikají chyby
    • různé přístupy k modelování
  2. Jednoduchý model imunity - experimenty se zadaným modelem
    • kompartmenty
    • dopředná a zpětná vazba
    • definice entit, jejich vztahů včetně míry abstrakce
    • popis modelu diferenčními a diferenciálními rovnicemi
    • prozkoumání chování modelu a modulace jeho chování
    • aplikace modelu na biologické situace
  3. Vytváření a popis modelu
    • studenti tvoří/definují pokročilejší model
    • definice entit, jejich vztahů včetně míry abstrakce a neurčitostí přirozeného jazyka
    • formulování modelu v grafu, analýza chování modelu
  4. Zobecnění interakcí
    • taxonomie možných chování dynamických systémů
    • úvod do teorie chaosu dynamických systémů
    • emergentní chování systému: definice, vlastnosti, podmínky
  5. Zobecnění modelů
    • taxonomie modelů: principy a omezení
    • multiagentní systémy: definice agentů a prostředí
    • formulace multiagentního přístupu na buněčné modely a mezibuněčné interakce
    • klasifikace modelů podle typu agenta (bez stavu, se stavem, s modelem, s cílem, učící se)
    • celulární automaty a jiné modely popsané pravidly
    • jazyk, pravidla a Chomského hierarchie
PODKLADY

LITERATURA

SW

img

BLIŽŠÍ INFORMACE O PŘEDMĚTU A EXAMINACE

PROBRÁNO

BODY

ZADÁNÍ DOMÁCÍCH ÚKOLŮ

BLIŽŠÍ INFORMACE PŘEDMĚTU

Název: Matematické modelování v bioinformatice
Anglický název: Mathematical modelling in bioinformatics
Odkaz na SIS
Kód předmětu: MB151P133
Předmět vyučován v: zimním semestru
Rozsah výuky: 2/2 Z/ZK
Počet kreditů: 5

EXAMINACE

Zkouška

  1. forma: písemná a ústní
  2. obsah skládající se z diskuze zápočtového elaborátu a zkoušející znalosti z přednášek a cvičení předmětu

Zápočet

  1. Získat alespoň 80 bodů za zápočtové úkoly
  2. (60b) Vypracování elaborátu skládajícího se z definování, vytvoření, analýzy, popisu a návrhu ovlivnění rozumné malé simulace
    1. Nutné schválit zadání (konec listopadu)
    2. Review návrhu (konec prosince)
  3. (20 bodů) rešerše vědeckého článku dle zadání
    1. Zadání do půlky listopadu na cvičení; odevzdání do půlky prosince
    2. Cíl porozumění článku, o čem článek je, co tvrdí, jaká je metoda, co jsou data a co interpretace, limity, resumé
  4. (max 40 bodů) Za průběžné úkoly na cvičení či na doma (4-6 zadání), review hodiny
KONTAKT

KONTAKT

Mgr. Jiří Šejnoha - email: jiri.sejnoha@mff.cuni.cz
Mgr. Tomáš Bílý - email: tomby@ucw.cz