19、MATLAB在生物建模中的应用

MATLAB在生物建模中的应用

1. 引言

数学建模和计算机模拟是研究生物系统的常用工具。MATLAB和Simulink是强大的高级编程语言，它们为生物系统分析提供了应用线性系统理论原理的机会，能够开发合适的计算机模拟技术和算法，以模拟生理系统的动态响应，还能收集、分析数据并可视化模拟过程的结果信息。

2. 生物科学中的系统建模

模型在理解神经元细胞如何存储、计算、整合和传输生物体生存所需的信息方面极为有用。计算机辅助模型还能创建各种测试场景，而这些场景在现实中可能难以实现、成本高昂或具有危险性。

生物科学建模和模拟的主要目标是开发综合模型和模拟，以动态表示神经元细胞中的信号和代谢网络，将其视为具有不同输入和输出端口以及特定响应机制的开放系统。生物建模研究中的系统方法旨在整合复杂生物系统的不同层次，从基因到细胞、器官，再到整个生物体。

大多数生物和生理控制系统是非线性的，控制通常通过参数化方式实现。生物系统是分层系统，具有以下特点：
1. 每个层次都有独特的语言、概念或原理；
2. 每个层次都是较低层次元素的整合；第i层的发现或描述有助于理解第i + 1层的现象；
3. 层次之间的关系是非对称的。

控制理论应用于神经元建模，用于分析神经元代谢和信号通路的动态特性，理解反应网络中反馈回路的作用。在系统方法中，神经元细胞被视为具有不同输入和输出端口以及特定响应机制的开放系统。

生物系统是自适应、稳定的系统，配备了精细的控制机制（反馈）。在神经元细胞中，细胞外和细胞内的刺激由位于细胞质和细胞膜中的专门受体结构捕获和测量。这些刺激包括体内循环的各种物质（激素、氧离子、不同的蛋