Detail předmětu

Modelování biologických systémů

FIT-MOBAk. rok: 2015/2016

Biologický systém, popis vlastností biologického systému. Plánování experimentů s biologickými systémy. Teoretické principy metod používaných při modelování biologických systémů (kompartmentové systémy, deterministický chaos, fraktály, teorie katastrof, celulární systémy). Popis charakteristických konkrétních modelů biologických systémů, modely populací, epidemiologické a psychologické modely, modely biochemických procesů, modelování tkáňových struktur, modely základních podsystémů lidského organismu.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

Ing. Martin Vítek, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Výsledky učení předmětu

Základní teoretické znalostí v oblasti metod modelování biologických systémů a praktické schopnosti při jejich aplikaci při řešení praktických problémů. Implementace vytvořených modelů v prostředí MATLAB, Simulink.

Prerekvizity

Základy modelování a simulace systémů na počítačích a základy biologie.

Způsob a kritéria hodnocení

Minimálně 15 bodů za aktivity v průběhu semestru, tj. za aktivitu při počítačových cvičeních a za projekt.

Osnovy výuky

Osnova přednášek:
  • Základní pojmy, definice biologického systému, jeho vlastnosti a specifika, uspořádání a vyhodnocení experimentů s biologickými objekty.
  • Spojité modely jednodruhových populací, analýza logistické rovnice, modely se zpožděním.
  • Diskrétní modely jednodruhových populací, Leslieho model, diskretizované modely 1-druhových populací a jejich analýza, základy teorie deterministického chaosu.
  • Diskretizované modely 1-druhových populací se zpožděním, modely dvoudruhových populací.
  • Fraktály, základní typy. Fraktální struktura morfologie biosystémů.
  • Multikompartmentová analýza, modely biochemických procesů.
  • Epidemiologické modely, obecné principy, modely venerických chorob, AIDS.
  • Diskrétní systémy, konečné automaty, diskrétní modely celulární struktury.
  • Umělý život, celulární automaty, Conwayův "život", analýza chování celulárních automatů.
  • Teorie katastrof a její využití pro modelování chování živých organismů.
  • Verifikace a optimalizace počítačových modelů, počítačové experimenty a jejich vyhodnocení.
  • Lidský organismus jako systém, modely subsystémů lidského organismu, kardiovaskulární systém.
  • Modely subsystémů lidského organismu, model regulace glukózy, regulace chemických procesů v zažívacím traktu.

Osnova počítačových cvičení:
  • Spojité modely jednodruhových populací.
  • Jednodruhové modely se zpožděním, Leslieho model.
  • Deterministický chaos, bifurkační diagram.
  • Kompartmentové modely biochemických procesů.
  • Celulární automaty.
  • Modely kardiovaskulárního systému.

Osnova ostatní - projekty, práce:
  • Diskrétní modely jednodruhových populací.
  • Modely dvoudruhových populací.
  • Fraktály.
  • Epidemiologické modely, venerické choroby, AIDS.
  • Conwayův "život".
  • Modely regulace glukózy.

Učební cíle

Seznámit posluchače s metodami a algoritmy modelování biologických (medicínských a ekologických) systémů.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Nenahrazuje se.

Základní literatura

  • Murray, J.D.: Mathematical Biology, Berlin, Springer Verlag, 1989.
  • van Wijk van Brievingh, R.P., Moeller, D.P.F.: Biomedical Modeling and Simulation on a PC, New York, Springer Verlag, 1993.
  • Rowe, G.W.: Theoretical Models in Biology, Oxford, Oxford Univ. Press, 1994.

Doporučená literatura

  • Holčík, J.: Modelování biologických systémů, Elektronické texty.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MBS , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MBI , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MIS , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MIN , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MMM , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MGM , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MPV , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MSK , libovolný ročník, zimní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Vítek, Ph.D.

Osnova

  • Základní pojmy, definice biologického systému, jeho vlastnosti a specifika, uspořádání a vyhodnocení experimentů s biologickými objekty.
  • Spojité modely jednodruhových populací, analýza logistické rovnice, modely se zpožděním.
  • Diskrétní modely jednodruhových populací, Leslieho model, diskretizované modely 1-druhových populací a jejich analýza, základy teorie deterministického chaosu.
  • Diskretizované modely 1-druhových populací se zpožděním, modely dvoudruhových populací.
  • Fraktály, základní typy. Fraktální struktura morfologie biosystémů.
  • Multikompartmentová analýza, modely biochemických procesů.
  • Epidemiologické modely, obecné principy, modely venerických chorob, AIDS.
  • Diskrétní systémy, konečné automaty, diskrétní modely celulární struktury.
  • Umělý život, celulární automaty, Conwayův "život", analýza chování celulárních automatů.
  • Teorie katastrof a její využití pro modelování chování živých organismů.
  • Verifikace a optimalizace počítačových modelů, počítačové experimenty a jejich vyhodnocení.
  • Lidský organismus jako systém, modely subsystémů lidského organismu, kardiovaskulární systém.
  • Modely subsystémů lidského organismu, model regulace glukózy, regulace chemických procesů v zažívacím traktu.

Cvičení na počítači

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Vítek, Ph.D.

Osnova

  • Spojité modely jednodruhových populací.
  • Jednodruhové modely se zpožděním, Leslieho model.
  • Deterministický chaos, bifurkační diagram.
  • Kompartmentové modely biochemických procesů.
  • Celulární automaty.
  • Modely kardiovaskulárního systému.