Virtuelle Experimente - Eine grafische Simulationsumgebung für komplexe biologische Systeme
Oliver Werner
Dr. Sc. Hum. Virtuelle Experimente Eine grafische Simulationsumgebung für komplexe biologische Systeme Geboren am 22.04.1966 in Offenbach am Main Reifeprüfung am 12.06.1985 in Wiesbaden Studium des Fachbereichs Medizinische Informatik von der SS 1987 bis zum WS 1992/93 Vordiplom am 01.06.1989 an der Universität Heidelberg Diplom am 03.09.1993 an der Universität Heidelberg Promotionsfach: Medizinische Informatik Doktorvater: Priv.-Doz. Dr. H.P. Meiners Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Konzept zur Darstellung biologischer Hypothesen und Modelle vorzustellen. Das allgemeine Konzept wird formal spezifiziert und geeignet ausgeweitet, so dass eine anwendbare Simulationsmethode entsteht, die sowohl die dynamischen Aspekte der Biologie als auch den Kontext des Laborexperiments berücksichtigt. Diese Methode sollte Hypothesen beschreiben, die die unterschiedlichsten funktionellen und strukturellen Aspekte der Biologie berühren können, auf einem einheitlichen Abstraktionsniveau, das die Vergleichbarkeit, die flexible Erweiterbarkeit und Variation von Hypothesen ermöglicht, Hypothesen durchzuspielen, d. h. die Erforschung ihrer dynamischen Aspekte.
im Rahmen eines Experimentierkontextes, gestatten,
eine intuitive und schnelle Verfügbarkeit und Handhabung der Methodik zu gewährleisten. Auf der Grundlage dieser Methodik wird der Entwurf und die Implementierung eines Intranets Internet-basierte Entwicklungsumgebung für die visuelle Gestaltung und die Erforschung von Modellen der Biomedizin realisiert. Diese Labor-Umgebung soll die oben genannten Merkmale integrieren und dazu beitragen, mit biomedizinischen Modellen zu experimentieren, Ideen für Wirkungs- und Kontrollmechanismen zu realisieren und deren Zusammenhänge erlebbar zu machen.
Hierzu kommen Beispiele, die die Anwendung dieses Umfelds dokumentieren.
Die Kommission hat eine Reihe von Vorschlägen vorgelegt, mit denen die Kommission und die Kommission zusammenarbeiten können.
wird, die Rahmenbedingungen für
sinnvolle
die genaue Definition von Experimenten und
unsinnige
Experimente oder Verfahren zu identifizieren. Um eine geeignete Darstellung biomedizinischer Modelle zu erreichen, werden zunächst einige Bemerkungen über den allgemeinen Modellbegriff und seine Verwendung in dieser Arbeit vorgelegt. Eine problemgestützte Modellierung von biomedizinischen Erkenntnissen unter Berücksichtigung einer eingeschränkten Allgemeinheit erweist sich als am besten geeignet und wird durch das in der Biologie sehr enge Zusammenhang von Hypothese-Modell-Experiment unterstützt.
Auf der Grundlage allgemeiner biomedizinischer Modelle werden übliche oder mögliche
Verfahren zur Beschreibung und typische Merkmale dieser Beschreibungen
Es werden spezifische Eigenschaften für lebende Systeme identifiziert, die
Diese Systeme müssen in eine Repräsentationsmethode eingehalten werden:
Verlauf (Leben und Tod), Wechselwirkung und Parallelismus, Einflussfaktoren und
(lokale) Kontrollprozesse, Aggregation oder Hierarchien,
Komponenten, Selbstorganisation bzw. Autopoiesis. Um dann ein biologisches Modell zum Leben zu erwecken, wird dargestellt, wie anhand einer Beschreibung eines biologischen Systems ein dynamisches, zeitgerechtes Modellverhalten mit Hilfe von Simulationsmethoden spezifiziert werden kann. Hierzu wird ein kurzer Überblick über etablierte und aktuelle Methoden der Modellierung und Simulation sowohl im allgemeinen als auch im biomedizinischen Bereich angeboten.
Das allgemeine, prozessorientierte AML-Repräsentationskonzept wird vorgestellt, das
Sie ist für die Beschreibung und Erläuterung von biologischen Systemen und deren
Es ist besonders geeignet, Kontrollmechanismen zu entwickeln, da die oben genannten Merkmale bei der
Das System kann als Simulationskonzept eingesetzt werden.
Erweiterungen und zusätzliche Spezifikationen sind notwendig, um die wichtigen Aspekte der
Simulation realisieren, wie z.B. die Transformation vom Modell zum Simulationsmodell oder
Es wird eine formelle Regelung für die Definition von Messgrößen und deren Erhebungsmechanismus eingeführt.
Es wird eine Sprache entwickelt, die sich als Vorprozessorsprache eignet, um Simulationsmodelle in
die Entwicklung verschiedener Zielsprachen (z.B. Java, C++, Simula). Um auch denjenigen, die mit Programmiersprachen unerfahren sind, Modellieren und Simulieren zu ermöglichen, wird eine sehr flexible, offene und erweiterbare Umgebung für visuelle Modellierung und Simulation vorgestellt, die durch ihre vollständige, objektorientierte Realisierung in der Programmiersprache Java sehr portabel, erweiterbar und vernetzbar ist, so dass sie für den Einsatz in einem heterogenen Internet oder einem anderen Netzwerk geeignet ist. Das Intranet ist bestimmt. Dies ermöglicht eine kooperative Arbeit von Benutzern mit unterschiedlichem Fachwissen (Modellierung, Biomedizin), sodass komplexe Modelle in interdisziplinärer Zusammenarbeit entstehen können.
Weiter wird gezeigt, wie mit Hilfe dieser Umgebung Wachstumshypothesen aus der
Zellbiologie von Epithelialgewebe vom Steady-State-Modell bis zum Zytotoxischen Experiment
Das Grundmodell wird repräsentiert und schrittweise verfeinert, indem es wiederverwendet wird. Die Nutzung dieser virtuellen Laborumgebung erweist sich in der prä-experimentellen Phase bei der Planung eines Experiments sinnvoll, wo Fragen wie: Ist die Hypothese, die dem Experiment zugrunde liegt, ausreichend genau formuliert oder dient das Experiment zur Fälschung / Bestätigung der Hypothese?
, die Auskunft über die
Wir können die Bedeutung eines geplanten biologischen Experiments ohne größere
Es ist nicht unerlässlich, die experimentellen Anstrengungen zu erzeugen, die ethisch unbedenklich sind (sie sterben nur
„Computer-
Zellen
(die Computerzeit ist weit über dem realen Datenverbrauch) und kostengünstig (die Computerzeit ist weit über dem realen Datenverbrauch).
Die Zeit des biologischen Experiments kann untersucht werden.
Eine virtuelle Laborumgebung ist ein entscheidender Beitrag zur Vermeidung von
Zellbiologie kann übliche Tierversuche durchführen.
In der Analyse verschiedener Experimente können nicht nur neuartige Konzepte ausprobiert werden
sind, aber auch störende, die experimentellen Beobachtungen verzerrenden Parameter oder
Es werden Methoden identifiziert, so dass geplante Folgeversuche solche Ergebnisse erzielen.
Die Kommission ist der Auffassung, daß Die beschriebene Umgebung stellt somit einen sinnvollen Ansatz im Methodenrepertoire der modernen Biomedizin dar, der die Erforschung und Entwicklung neuartiger Hypothesen zur Gesundheit und Krankheit von Zellgeweben unterstützt und dazu beitragen kann, vielversprechende Therapien ethisch unbedingt auszuprobieren.