Quantitative Physiology：Systems Approach
作者：Shangbin Chen, Alexey Zaikin
出版：Huazhong University of Science &Technology Press
索书号：Q4/C518/2020/Y
ISBN： 978-7-5680-6678-5
藏书地点：武大外教中心
生理学是最古老的科学之一，可能是仅次于天文学的第二古老的科学。所有古老的高等文明都对中国的发展做出了巨大贡献。约在公元前1700年，古埃及人在所谓的外科莎草纸上记录了人类大脑中既有组织也有液体。从公元前2000年开始，中国人就在体内发现了叫做经络的特殊通道，并将其用于针灸。后来，希腊的希波克拉底(约公元前460-370年)将脑积水描述为头部积水的病理结果，这花了1000多年的时间，直到欧洲的进一步发展，在15世纪和16世纪分别强调了列奥纳多·达·芬奇和安德烈亚斯·维萨利乌斯。然而，要对生理学进行定量描述还需要进一步的努力。威廉·哈维(1578-1657)和赫尔曼·冯·赫姆霍尔兹(1821-1894)首先对血流和神经等基本过程进行了相当精确的测量。但是，数量生理学要成为一门科学需要的不仅仅是测量，也就是描述潜在机制的数学模型。1912年，经常被人遗忘的德国生理学家朱利叶斯·伯恩斯坦(Julius Bernstein)在生物物理模型中提出了神经和肌肉动作电位的第一个理论，这是一个里程碑。40年后，英国人艾伦·L·霍奇金(Alan L. Hodgkin)和安德鲁·F·赫胥利(Andrew F. Huxley)在1952年对这一理论进行了某种程度的推广。从那时起，几乎一场发展高精度测量和数学建模的革命已经开始并暗自进行中。
《定量生理学：系统方法》一书于2020年由Huazhong University of Science &Technology Press出版，作者是Shangbin Chen和Alexey Zaikin。这本书主要是基于在华中科技大学(HUST)和伦敦大学学院(UCL)所做的定量生理学和生物数学讲座。本书分为三个主要部分：应用方法论，基础案例研究和复杂应用。这是定量生理学的基础知识。本书的目的是解决复杂应用中的实际问题，但需要引导学生学习应用方法和基本案例。应用方法论部分包括定量生理学、系统和建模、基础建模和建模资源的简要介绍。基本的案例研究包括几个重要的主题，如基因表达建模、代谢网络、钙信号、神经活动建模、血液动力学以及骨骼和身体力学。复杂应用部分包括噪声的建设性效应、基因调节网络的动力学和生理学的复杂现象建模三章。生理学包括广泛的主题和问题，这本教科书只讲了一小部分内容。
在《定量生理学：系统方法》一书中，两位定量生理学领域非常活跃的研究者，陈尚斌和Alexey Zaikin，尽其所能使该领域的新手能够快速入门。他们从第一部分开始介绍建模的挑战和基本方法，包括可用的资源和软件。第二部分中，描述了重要生理子系统的建模，如遗传和代谢网络、钙信号、神经活动、血液动力学和骨力学。在第三部分，介绍了生理过程中非常特别和成功的应用，如细胞决策，皮质扩散抑制，心脏生理，肾脏调节，心脏生理，思维和意识。通过范例说明了一般方法，特别强调的是每一章结尾提出的问题，可以激发读者对相关问题的进一步思考，并指导进一步的阅读。
在复杂生理系统的研究中，基因组和生理组都已出现。计算和数学建模被认为是促进理解正常或病理生理状态下的生命系统的有效工具。定量生理学，定义为生理学的定量描述、建模和计算研究，是系统生物学的一个跨学科领域，许多大学开设了数量生理学课程。然而，目前还没有关于这一课题的教科书，因此，需求成为出版这本书的第一动力。
本书中，作者向学生推荐了“3M规则”，即从公开课学习建模，从知识库中参考适用的模型，向一些课题组的建模师学习，将生理系统视为一个整体，并应用物理学、数学和信息技术的基本定律。永远不要低估学生作为主动学习者的潜力，他们可以自学很多东西。另一方面，作者认为如何思考问题是最重要的思考。因此，本书提出批判性思维作为定量生理学的教育理想。罗伯特·恩尼斯将批判性思维定义为反思和理性的思维，它专注于决定应该相信什么或做什么。本书认为我们和学生不仅要学习数量生理学的知识，还要培养建模的能力和批判性思维的精神。希望学生(和读者)能够在适当的时候进行批判性思考，并做好。本教材应成为培养学生解决问题的批判性思维的典范。希望激励学生在建模方面取得成功。
总之，《定量生理学：系统方法》一书系统地介绍了数量生理学这一强有力的发展领，提供了这种困难的建模的基本原理以及相应方程的处理方法。本书是华中科技大学工程科学学院生物医学工程专业学生联合讲座的成果。对于该领域的新手来说，这是一本非常有用的入门书籍。
本书目录：
第一部分 应用方法
1数量生理学导论
1.1理解生理学
1.2定量科学
1.3从基因组到生理组
1.4处理复杂性
1.5为什么研究定量生理学是及时的
1.5.1生物学多组学革命
1.5.2大数据与个性化医疗
1.5.3基因编辑与合成生物学
1.6问题
引用
2系统和造型
2.1建模过程
2.2生理器官系统
2.3方程模型
2.4在生理学建模中使用ODE
2.4.1振荡建模
2.4.2线性稳定性分析
2.4.3用s函数求解ODE
2.5生理学上的守恒定律
2.5.1动量和能量守恒
2.5.2戴手套和不戴手套的拳击
2.5.3旋转运动
2.6问题
引用
3基础建模简介
3.1建立简单的数学模型
3.1.1落蚤模型
3.1.2缩放参数
3.1.3例子：动物能跳多高？
3.1.4例子：在开始跑之前我们能走多快？
3.2代谢率模型
3.2.1代谢率建模
3.2.2例子：为什么大型鸟类更难飞行？
3.2.3路德维希·冯·伯特兰菲的增长模型
3.3问题
参考
4造型资源
4.1开放课程
4.2模拟软件
4.3模型库
4.4问题
引用
第二部分 基本案例研究
5基因表达建模
5.1模拟转录调控和简单网络
5.1.1基本概念和方程
5.1.2转录调控方程
5.1.3一些常见遗传网络的例子
5.2抑制和激活同时调控
5.3 Autorepressor延迟
5.4双稳态基因开关
5.5问题
参考
6代谢网络
6.1代谢与网络
6.2构建代谢网络
6.3通量平衡分析
6.4心肌代谢网络
6.5问题
引用
7钙信号
7.1功能的钙
7.2钙振荡
7.3钙波
7.4问题
引用
8模拟神经活动
8.1脑研究概论
8.2神经元放电的Hodgkin-Huxley模型
8.3 FitzHugh-Nagumo模型：HH模型的一个模型
8.3.1 Case Ia = 0时相平面分析
8.3.2 Case Ia > 0极限环的观察条件
8.4问题
参考文献
9血液动力学
9.1血液流体动力学
9.1.1基本方程
9.1.2泊肃叶定律
9.2血液特性和ESR
9.3血管的弹性
9.4脉搏波
9.5伯努利方程和阿图罗·托斯卡尼尼在1954年的遭遇
9.6科洛特科夫的声音
9.7问题
参考
10骨骼和身体力学
10.1弹性变形与胡克定律
10.2为什么长骨是中空或弯曲的
10.3骨骼的粘弹性
10.4问题
参考
第三部分 复杂应用
11噪音的建设性作用
11.1随机性的影响
11.2噪音影响的回顾
11.3噪声诱发效应的新机制
11.4噪音性影响
11.4.1随机共振在骨重塑中作为防止骨质减少条件下骨丢失的工具
11.4.2存在加性噪声和开关间歇性的跃迁
11.4.3加性噪声引起的相变
11.4.4噪音性兴奋性
11.5双随机效应
11.5.1双随机共振
11.5.2一个简单的双随机共振电子电路模型
11.5.3双随机相干性：双稳定神经模型中通过噪声诱导对称的周期性
11.6噪声诱导繁殖的新效应
11.6.1单稳态介质中的噪声诱导传播
11.6.2双稳态介质中双色信号的噪声传播与频率选择
11.7噪声诱导的共振效应和噪声存在下的共振效应
11.7.1噪声诱发结构的振动共振
11.7.2耦合噪声系统中的系统尺寸共振
11.7.3抑制性耦合可激振荡器的相干共振和多模态
11.8申请和开放问题
11.9问题
参考文献
12基因调控网络中复杂而令人惊讶的动态
12.1合成生物学中的非线性动力学
12.2遗传网络中的聚类和振荡死亡
12.2.1具有群体感应耦合的阻遏器
12.2.2通过相位排斥群体感应耦合的最小阻遏器系统的动力学体系
12.3耦合遗传网络中的系统规模效应
12.3.1非均匀体系的聚类和增强的复杂性
12.3.2细胞集落有规律振荡导致聚类
12.3.3正则-吸引子体系的参数异质性
12.3.4相同细胞集落的不规则混沌自振荡
12.4噪声在遗传网络中的建设性作用
12.4.1噪声诱导的昼夜节律基因网络振荡
12.4.2噪声诱导的同步和节律
12.5噪声遗传网络中速度相关的细胞决策(SdCDM)
12.5.1小遗传开关中速度相关的细胞决策
12.5.2大型遗传网络中速度相关的细胞决策
12.6什么是遗传智能？
12.6.1监督式学习
12.6.2联想学习
12.6.3复杂输入的分类
12.6.4生物人工智能的应用与意义
12.7噪声对智能细胞决策的影响
12.7.1细胞内联想遗传感知器的随机共振
12.7.2遗传感知器分类中的随机共振
12.8问题
引用
13模拟生理学中的复杂现象
13.1皮质扩张抑制(CSD)是什么
13.1.2CSD的模型
13.1.3CSD模型的应用
13.1.4问题
13.2心脏生理
13.2.1心血管系统
13.2.2心脏生理多级建模
13.2.313.3肾脏自动调节模型
13.3.1肾脏生理学
13.3.2实验观察
13.3.3肾元自动调节模型
13.3.4问题
13.4脑项目
13.4.1神秘的大脑
13.4.2大脑项目
13.4.3大脑模拟
13.4.4哺乳动物的大脑是网络中的网络
13.4.5综合信息计算
13.4.6星形胶质细胞与意识整合信息论
13.4.7问题
参考文献
邹娟 武大生科院 博士研究生