ANOTACE PROČ PRO KOHO KONTAKT PROBRÁNO DÚ
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, jeho implementace, zkoumání chování a jeho modulace
  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, základy ano.

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 dílem odstíní od "technicko-implementačních" věcí, případně Pythonu, 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
    • teorie sítí
    • jazyk, pravidla
PODKLADY

LITERATURA

SW

img

BLIŽŠÍ INFORMACE O PŘEDMĚTU A EXAMINACE

PROBRÁNO

BODY

Budou uvedeny zde: Owl

ZADÁNÍ DOMÁCÍCH ÚKOLŮ

Zadání a odevzdávání domácích úkolů zde: Owl

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 odevzdaného (min 5 dní před zkouškou) zápočtového elaborátu (50%) a zkoušejíní znalostí z přednášek a cvičení předmětu (50%)

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 do 12. 12. 2023, bude zadáno v Owlu
  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 domácí úkoly (4-6 zadání), zadáváno a odevzdáváno přes Owl
KONTAKT

KONTAKT

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