29、生物系统模拟与参数可识别性分析工具介绍

生物系统模拟与参数可识别性分析工具介绍

在生物系统的研究中，模拟和参数识别是非常重要的环节。本文将介绍两款相关工具：ppsim 软件包和基于网络的结构可识别性分析器，包括它们的功能、特点以及使用案例。

1. ppsim 软件包

1.1 功能概述

ppsim 是一个用于高效模拟和可视化群体协议的软件包。它在模拟群体协议方面具有显著优势，能够帮助研究人员更好地理解生物系统中的复杂动态。

1.2 性能比较

通过与 Gillespie 算法进行比较，我们可以更直观地看到 ppsim 的优势。以下是相关比较内容：
- 时间采样验证 ：对时间 5（图 1a 中的虚线）进行了 106 次采样，使用 ppsim 和 GillesPy2 验证它们是否都能从相同的化学主方程分布中采样（图 1b）。
- 运行时间与群体规模的关系 ：比较不同群体规模 n 下的运行时间，发现 Gillespie 算法的时间复杂度为 O(n)（在对数 - 对数图上斜率为 1），而 ppsim 的时间复杂度为 O(√n)（斜率为 1/2）。

1.3 其他加速方法的问题

虽然在某些情况下，精确的随机模拟可能并非必要，因为 Gillespie 算法在小计数系统中速度较快，而更快的常微分方程（ODE）近似在大计数系统中“相当准确”。但存在一些大计数系统，其随机效应在 ODE 模拟中无法观察到，并且 τ - 跳跃方法会引入系统性误差，破坏系统的基本定性行为，这就凸显了精确随机模拟的必要性。例如，3 状态的石头 - 剪刀 - 布振荡器（B + A →