Matematické modelování v bioinformatice - MB151P133

• Anglický název: Mathematical modelling in bioinformatics
• Český název: Matematické modelování v bioinformatice
• Zajišťuje: Katedra buněčné biologie (31-151)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2024
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 5
• Způsob provedení zkoušky: zimní s.:
• Rozsah, examinace: zimní s.:2/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu; při zápisu přednost, je-li ve stud. plánu
• Garant: Mgr. Jiří Šejnoha
• Vyučující: Mgr. Jiří Šejnoha

Anotace

čeština

Anotace

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

Budeme se zabývat:
a) obecným základem modelování a simulací, včetně různých přístupů (zejména z pohledů kompartmentů a jejich interakcí), pročež probereme vhodný a přiměřený matematický základ
b) aplikací modelů na konkrétní biologické situace – dle publikovaných článků

Studenti si vyzkouší a prozkoumají:
a) jednoduchý spojitý kompartmentový model imunity a jeho chování včetně klasifikace vývojů systému
b) propojení modelu s daty
c) vlastní formulace modelu a jeho implementace
d) 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).

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)

angličtina

The course is based on mathematical modelling and development of biological (especially cellular) structures and processes that are simulated in silico.

We will deal with:
a) the basics of modelling and simulations, including various approaches (especially from the point of view of the compartments and their interactions), including suitable and appropriate mathematical background
b) application of models to specific biological situations - according to articles

Students will try and explore:
a) a simple continuous compartmental model of immunity and its behavior, including the classification of system developments
b) connection of the model with the data
c) formulation of the model and its implementation
d) a more complex discrete cell model with applications to cell differentiation and chemotactic motion

The research is conducted both analytically (what and why is happening) and synthetically (creating a system of given properties).

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)

Literatura

čeština

Stuart Russell and Peter Norvig; Artificial Intelligence: A Modern Approach; Prentice Hall, 3. edition, (2010)

Hiroki Sayama; Introduction to the Modeling and Analysis of Complex Systems; Open SUNY Textbooks, Milne Library, (2015)

Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown,

Science 28 Aug 2020: Vol. 369, Issue 6507, eaay9792, DOI: 10.1126/science.aay9792

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.

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)

Požadavky ke zkoušce

čeština

Podmínky zakončení předmětu

Zápočet bude udělen za:

1. aktivní účast na cvičení spočívající obvykle v řešení úkolů v termínech stanovených cvičícím (ať už na cvičení nebo doma), 

2. vypracování semestrální práce skládající se z definování a popsání modelu (dle článku či volby studenta po nutném schválení přednášejícím), jeho implementace, simulace a prozkoumání s následným popsáním a klasifikací jeho chování.

Povaha požadavků neumožňuje vypsat opravné termíny. 

Vyučující může stanovit podmínky, za nichž student může nahradit chybějící splnění aktivní účasti na cvičení či opakovaně odevzdat vypracování semestrální práce pro odstranění nalezených závad. 

Zápočet je podmínkou pro konání zkoušky.

 

Požadavky ke zkoušce odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, v jakém byl pokryt na přednáškách, cvičeních a určeném samostudiu. Je požadována i schopnost aplikovat získané znalosti při řešení příkladů.

Zkouška může mít písemnou nebo ústní podobu, nebo kombinaci obojího.

Zkouška může mít kontaktní nebo distanční formu.

 

 

 

 

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)

angličtina

Credit will be awarded for this course by successfully completing the following requirements:

• active participation in the exercises, usually consisting of solving assigned tasks during the exercises or later on at home,

• completion of a semester project (consisting of definition, description, implementation, simulation and research of model including description and classification of its behaviour)

Due to the nature of the requirements, a failed attempt cannot be repeated as is possible for exams.

The teacher may establish conditions whereby a student can make up for missing active participation assignments or resubmit their semester project after improving deficiencies that were found the previous time around.

The examination consists of written and oral parts involving the ability to apply the gained knowledge to solve exercises. 

The examination could be in the contact or distance form. 

 

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)

Sylabus

čeština

Modely a Simulace

• rozdíly mezi pozorováním, modelem, simulacemi a laboratorním pokusem

• zjednodušení reality

• kde a jak vznikají chyby

• různé přístupy k modelování

Jednoduchý model imunity – experimenty se zadaným modelem

• kompartmenty

• dopředná a zpětná vazba

• definice entit, jejich vztahů včetně míry abstrakce

• popis modelu diferenciálními rovnicemi

• prozkoumání chování modelu a modulace jeho chování

• aplikace modelu na biologické situace

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

Zobecnění interakcí

• taxonomie možných chování dynamických systémů

• úvod do teorie chaosu dynamických systémů

• emergentní chování systému: definice, vlastnosti, podmínky

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

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)

angličtina

Models and Simulations

• differences between observation, model, simulations and laboratory experiments

• simplification of reality

• where and how mistakes arise

• different approaches to modelling

Simple model of immunity - experiments with a given model

• compartments

• feed forward and feedback

• definition of entities, their relations with the proportion of abstraction

• description of the model by differential equations

• examining the behavior of the model and modulating its behavior

• application of the model to biological situations

Creation and description of the model

• students create/define a more advanced model

• definition of entities, their relations with the proportion of abstraction and uncertainties of natural language;

• formulation of the model in the graph, analysis of the behavior of the model

Generalization of interactions

• introduction to the taxonomy of behaviors of dynamic systems

• introduction to the chaos theory of dynamical systems

• emergent behavior of the system: definitions, properties, conditions

Generalization of models

• taxonomy of models: principles and borders

• multiagent systems: definition of agents and environments

• formulation of a multiagent approach to cell models and intercellular interactions

• classification of models by agent type (no state, with state, with model, with goal, learning)

• cellular automata and other models described by rules

• language, rules and the Chomsky hierarchy

Poslední úprava: Novotný Marian, Mgr., Ph.D. (30.09.2021)