10、利用MCell进行现实突触微生理模拟的蒙特卡罗方法

利用MCell进行现实突触微生理模拟的蒙特卡罗方法

1. 引言

神经系统功能可在不同尺度下进行研究，计算方法也多种多样，从原子级分辨率的分子动力学模拟到与空间无关的信息论方法。在细胞和亚细胞信号传导层面，模型需根据不同问题调整结构逼真度。例如，神经元兴奋可用等电位隔室模型研究，生化信号网络可在充分混合假设下模拟，某些反应 - 扩散问题可通过空间简化和边界条件以一维解析或有限差分方法处理。

然而，对于部分反应 - 扩散问题，真实的三维细胞结构是定量建模的关键。比如，若要研究影响突触功能、变异性和串扰的突触前后因素，或者对树突棘内外的钙离子动力学进行定量模拟，就必须在模型中纳入真实的超微结构。因此，微观生理学的定量建模需要采用真实的三维方法，涵盖三维超微结构组织、移动分子的运动以及生化反应。

本文将介绍使用蒙特卡罗方法进行现实突触微生理的三维建模。首先讨论创建微生理模型的步骤，然后简要比较有限元法和蒙特卡罗法这两种模拟范式。尽管蒙特卡罗方法的强大功能和高逼真度早已被认可，但由于计算机资源限制，其应用一直受限。如今，随着计算机性能提升，MCell 这一细胞微生理蒙特卡罗模拟器得以广泛应用，它可在多种操作系统环境下运行，配合优化算法和运行条件，能在现代工作站上进行高度逼真的突触模拟，大规模项目也可借助并行处理资源完成。

2. 微生理模型设计与模拟的一般背景

2.1 模型设计

定量微生理建模尚处于起步阶段，因为与简单模型相比，真实的三维模型计算量大幅增加，甚至可能需要超级计算机。该建模过程包含四个步骤：重建、模型可视化与设计、模拟以及结果可视化与分析。本文主要关注模拟步骤，模拟和结果分析可能涉及大规模参数拟合和敏感性分析。