Agentbaserad modell i biologi

Agentbaserade modeller har många tillämpningar inom biologin , främst på grund av modelleringsmetodens egenskaper. Agentbaserad modellering är en regelbaserad, beräkningsmodelleringsmetodik som fokuserar på regler och interaktioner mellan de enskilda komponenterna eller systemets agenter. Målet med denna modelleringsmetod är att generera populationer av systemkomponenterna av intresse och simulera deras interaktioner i en virtuell värld. Agentbaserade modeller börjar med regler för beteende och försöker rekonstruera, genom beräkningsinstansiering av dessa beteenderegler, de observerade beteendemönstren.

Egenskaper

Flera av egenskaperna hos agensbaserade modeller som är viktiga för biologiska studier inkluderar:

Modulär struktur

Beteendet hos en agentbaserad modell definieras av reglerna för dess agenter. Befintliga agentregler kan ändras eller nya agenter kan läggas till utan att hela modellen behöver ändras.

Emergent egenskaper

Genom att använda de individuella agenterna som interagerar lokalt med beteenderegler, resulterar agentbaserade modeller i en synergi som leder till en helhet på högre nivå med mycket mer intrikat beteende än varje enskild agents.

Abstraktion

Antingen genom att utesluta icke väsentliga detaljer eller när detaljer inte är tillgängliga, kan agentbaserade modeller konstrueras i avsaknad av fullständig kunskap om systemet som studeras. Detta gör att modellen blir så enkel och verifierbar som möjligt.

Stokasticitet

Biologiska system uppvisar beteende som verkar vara slumpmässigt. Sannolikheten för ett visst beteende kan bestämmas för ett system som helhet och sedan översättas till regler för de enskilda agenterna.

Modellera olika arters beteende

I ett ekologiskt sammanhang kan medelbaserad modellering användas för att modellera beteendet hos olika arter såsom insektsangrepp, andra invasiva arter, bladlöss och vattenlevande populationer.

Skogens insektsangrepp

Agentbaserad modellering har använts för att simulera attackbeteende hos bergtallbagge (MPB), Dendroctonus ponderosae , för att utvärdera hur olika skördepolicyer påverkar spatiala egenskaper hos skogen och rumslig utbredning av MPB-angreppet över tid. Ungefär två tredjedelar av marken i British Columbia , Kanada , är täckt av skogar som ständigt modifieras av naturliga störningar som brand, sjukdomar och insektsangrepp. Skogsresurser utgör cirka 15 % av provinsens ekonomi, så angrepp orsakade av insekter som MPB kan ha betydande effekter på ekonomin. MPB-utbrotten anses vara en stor naturlig störning som kan resultera i utbredd dödlighet av lodgepole pine tree, en av de vanligaste kommersiella trädarterna i British Columbia. Insektsutbrott har resulterat i att träd har dött över områden på flera tusen kvadratkilometer.

Den agensbaserade modellen som utvecklats för denna studie utformades för att simulera MPB-attackbeteendet för att utvärdera hur förvaltningsmetoder påverkar den rumsliga fördelningen och mönstren för insektsbefolkningen och deras preferenser för attackerade och dödade träd. Tre förvaltningsstrategier övervägdes av modellen: 1) ingen förvaltning, 2) sanitetsskörd och 3) bärgningsskörd. I modellen representerade Beetle Agent MPB-beteendet; Pine Agent representerade skogsmiljön och trädhälsans utveckling; skogsvårdsagenten representerade de olika förvaltningsstrategierna. Beetle Agent följer en rad regler för att bestämma vart den ska flyga i skogen och för att välja ett friskt träd att attackera, mata och avla. MPB dödar vanligtvis värdträd i sin naturliga miljö för att framgångsrikt kunna reproducera sig. Skalbaggens larver livnär sig på den inre barken av mogna värdträd och dödar dem så småningom. För att skalbaggarna ska föröka sig måste värdträdet vara tillräckligt stort och ha tjock innerbark. MPB-utbrotten slutar när mattillgången minskar till den grad att det inte finns tillräckligt för att upprätthålla populationen eller när klimatförhållandena blir ogynnsamma för skalbaggen. Pine Agent simulerar motståndet hos värdträdet, närmare bestämt Lodgepole tallen, och övervakar tillståndet och egenskaperna för varje trädbestånd. Vid någon tidpunkt i MPB-attacken når antalet skalbaggar per träd värdträdets kapacitet. När denna punkt är nådd släpper skalbaggarna en kemikalie för att styra skalbaggar att attackera andra träd. Pine Agent modellerar detta beteende genom att beräkna skalbaggens befolkningstäthet per bestånd och skickar informationen till skalbaggen. Skogsvårdsmedlet användes, på beståndsnivå, för att simulera två vanliga skogsbruksmetoder (sanering och bärgning) samt strategin där ingen skötselpraxis användes. Med skördestrategin för sanitet, om ett bestånd har en angreppshastighet som är större än en fastställd tröskel, tas beståndet bort liksom alla friska grannbestånd när den genomsnittliga storleken på träden överskrider en fastställd tröskel. För strategin för bärgningsskörd tas ett bestånd bort även om det inte är under en MPB-attack om ett förutbestämt antal närliggande bestånd är under en MPB-attack.

Studien betraktade ett skogsområde i North-Central Interior of British Columbia på cirka 560 hektar . Området bestod främst av Lodgepole tall med mindre proportioner av Douglasgran och Vitgran . Modellen utfördes i fem tidssteg, där varje steg representerade ett enstaka år. Trettio simuleringskörningar genomfördes för varje övervägd skogsförvaltningsstrategi. Resultaten av simuleringen visade att när ingen förvaltningsstrategi användes inträffade det högsta totala MPB-angreppet. Resultaten visade också att räddningsskogsförvaltningstekniken resulterade i en 25 % minskning av antalet skogssträngar som dödades av MPB, i motsats till en 19 % minskning av räddningsskogsförvaltningsstrategin. Sammanfattningsvis visar resultaten att modellen kan användas som ett verktyg för att bygga skogsvårdspolicyer.

Invasiva arter

Invasiva arter hänvisar till "icke-inhemska" växter och djur som negativt påverkar miljöerna de invaderar. Introduktionen av invasiva arter kan ha miljömässiga, ekonomiska och ekologiska konsekvenser. En agentbaserad modell kan utvecklas för att utvärdera effekterna av hamnspecifika och importörsspecifika tillsynssystem för en given jordbruksvara som utgör en risk för invasiva arter med målet att förbättra tilldelningen av tillsynsresurser och för att tillhandahålla ett verktyg för beslutsfattare för att svara på ytterligare frågor om gränskontroll och risk för invasiva arter.

Den agentbaserade modellen som utvecklats för studien beaktade tre typer av medel: invasiva arter, importörer och gränskontrollagenter. I modellen kan de invasiva arterna bara reagera på sin omgivning, medan importörer och gränskontrollanter kan fatta egna beslut utifrån sina egna mål och mål. Den invasiva arten har förmågan att avgöra om den har släppts ut i ett område som innehåller målgrödan och att sprida sig till angränsande delar av målgrödan. Modellen innehåller rumsliga sannolikhetskartor som används för att avgöra om en invasiv art etablerar sig. Studien fokuserade på transporter av broccoli från Mexiko till Kalifornien genom infartshamnarna Calexico, Kalifornien och Otay Mesa, Kalifornien . Den utvalda invasiva arten av oro var crucifer loppbagge ( Phyllotreta cruciferae) . Kalifornien är den överlägset största producenten av broccoli i USA och därför är oron och den potentiella effekten av introduktion av invasiva arter genom de utvalda infartshamnarna betydande. Modellen inkorporerade också en rumsligt explicit skadefunktion som användes för att modellera skador på invasiva arter på ett realistiskt sätt. Agentbaserad modellering ger möjlighet att analysera beteendet hos heterogena aktörer, så tre olika typer av importörer ansågs som skilde sig åt när det gäller råvaruinfektionsfrekvens (hög, medel och låg), val av förbehandling och kostnad för transport till hamnarna . Modellen gav förutsägelser om inspektionshastigheter för varje infartshamn och importör och fastställde framgångsgraden för gränskontroller, inte bara för varje hamn och importör utan också för varje potentiell nivå av förbehandling (ingen förbehandling, nivå ett, nivå två och nivå tre).

Modellen implementerades och kördes i NetLogo , version 3.1.5. Rumslig information om platsen för infartshamnarna, stora motorvägar och transportvägar inkluderades i analysen samt en karta över kaliforniska broccoligrödor med lager med sannolikhetskartor för etablering av invasiva arter. BehaviorSpace, ett mjukvaruverktyg integrerat med NetLogo, användes för att testa effekterna av olika parametrar (t.ex. leveransvärde, förbehandlingskostnad) i modellen. I genomsnitt beräknades 100 iterationer på varje nivå av parametern som används, där en iteration representerade en ettårig körning.

Resultaten av modellen visade att när inspektionsinsatserna ökar, ökar importörerna tillbörlig försiktighet, eller förbehandlingen av försändelser, och den totala monetära förlusten av Kaliforniens skördar minskar. Modellen visade att importörer reagerar på en ökad kontrollinsats på olika sätt. Vissa importörer svarade på ökad inspektionstakt genom att öka förbehandlingsarbetet, medan andra valde att undvika frakt till en specifik hamn, eller handlade till en annan hamn. Ett viktigt resultat av modellens resultat är att den kan visa eller ge rekommendationer till beslutsfattare om när importörer kan börja handla för hamnar, såsom inspektionstakten vid vilken hamnshopping införs och importörerna förknippade med en viss nivå av skadedjursrisk eller transportkostnader kommer sannolikt att göra dessa förändringar. Ett annat intressant resultat av modellen är att när inspektörer inte kunde lära sig att reagera på en importör med tidigare angripna försändelser, uppskattades skadorna på broccolibrödorna från Kalifornien till 150 miljoner dollar. Men när inspektörerna kunde öka inspektionsfrekvensen av importörer med tidigare överträdelser, minskade skadorna på kalifornisk broccoli med cirka 12 %. Modellen tillhandahåller en mekanism för att förutsäga introduktionen av invasiva arter från jordbruksimport och deras sannolika skada. Lika viktigt är att modellen förser beslutsfattare och gränskontrollorgan med ett verktyg som kan användas för att fastställa den bästa fördelningen av inspektionsresurser.

Bladlösspopulationens dynamik

En agensbaserad modell kan användas för att studera populationsdynamiken hos fågelkörsbärshavrebladlössen Rhopalosiphum padi . Studien genomfördes i en fem kvadratkilometer stor region i North Yorkshire , ett län i Yorkshire och Humber- regionen i England . Den agentbaserade modelleringsmetoden valdes på grund av dess fokus på de enskilda agenternas beteende snarare än befolkningen som helhet. Författarna föreslår att traditionella modeller som fokuserar på populationer som helhet inte tar hänsyn till komplexiteten i de samtidiga interaktionerna i ekosystem , såsom reproduktion och konkurrens om resurser som kan ha betydande effekter på befolkningstrender. Den agentbaserade modelleringsmetoden tillåter också modellbyggare att skapa mer generiska och modulära modeller som är mer flexibla och lättare att underhålla än modelleringsmetoder som fokuserar på befolkningen som helhet. Andra föreslagna fördelar med agentbaserade modeller inkluderar realistisk representation av ett fenomen av intresse på grund av interaktionen mellan en grupp autonoma agenter och förmågan att integrera kvantitativa variabler, differentialekvationer och regelbaserat beteende i samma modell.

Modellen implementerades i modelleringsverktygssatsen Repast med hjälp av programmeringsspråket JAVA . Modellen kördes i dagliga tidssteg och fokuserade på höst- och vintersäsongen. Indata för modellen inkluderade livsmiljödata, dagliga minimum-, maximum- och medeltemperaturer samt vindhastighet och riktning. För bladlössmedlen beaktades ålder, position och morfologi ( alat eller apterös ). Åldern varierade från 0,00 till 2,00, där 1,00 är den punkt då agenten blir vuxen. Reproduktion av bladlöss-medlen är beroende av ålder, morfologi och dagliga minimum-, max- och medeltemperaturer. När nymfer väl kläcks förblir de på samma plats som sina föräldrar. Nymfernas morfologi är relaterad till befolkningstäthet och näringskvaliteten hos bladlössens födokälla. Modellen tog också hänsyn till dödligheten bland bladlössagenterna, som är beroende av ålder, temperaturer och livsmiljöns kvalitet. Hastigheten med vilken ett bladlössmedel åldras bestäms av de dagliga minimum-, max- och medeltemperaturerna. Modellen ansåg att förflyttning av bladlössagensen skedde i två separata faser, en migrationsfas och en födosöksfas, som båda påverkar den totala populationsfördelningen .

Studien startade simuleringskörningen med en initial population av 10 000 alatbladlöss fördelade över ett rutnät med 25 meter långa celler. Simuleringsresultaten visade att det fanns två stora befolkningstoppar, den första i början av hösten på grund av en tillströmning av oroliga invandrare och den andra på grund av lägre temperaturer senare under året och brist på invandrare. Ytterst är det målet för forskarna att anpassa denna modell för att simulera bredare ekosystem och djurtyper.

Akvatisk populationsdynamik

En modell föreslås för att studera populationsdynamiken för två arter av makrofyter . Vattenväxter spelar en viktig roll i de ekosystem de lever i eftersom de kan ge skydd och mat åt andra vattenlevande organismer. Men de kan också ha skadliga effekter såsom överdriven tillväxt av främmande växter eller övergödning av sjöarna där de lever, vilket leder till anoxiska förhållanden. Med tanke på dessa möjligheter är det viktigt att förstå hur miljön och andra organismer påverkar tillväxten av dessa vattenväxter för att tillåta mildring eller förebyggande av dessa skadliga effekter.

Potamogeton pectinatus är ett av vattenväxtagenterna i modellen. Det är en ettårig växt som tar upp näring från jorden och förökar sig genom rotknölar och rhizomer . Reproduktionen av växten påverkas inte av vattenflödet, men kan påverkas av djur, andra växter och människor. Växten kan bli upp till två meter hög, vilket är ett begränsande tillstånd eftersom den bara kan växa på vissa vattendjup, och det mesta av dess biomassa finns på toppen av växten för att fånga så mycket solljus som möjligt. Det andra växtmedlet i modellen är Chara aspera , även det en rotad vattenväxt. En stor skillnad mellan de två växterna är att den senare reproducerar sig genom användning av mycket små frön som kallas oosporer och bulbillar som sprids via vattenflödet. Chara aspera blir bara upp till 20 cm och kräver mycket goda ljusförhållanden samt god vattenkvalitet, vilket alla är begränsande faktorer för växtens tillväxt. Chara aspera har en högre tillväxthastighet än Potamogeton pectinatus men har en mycket kortare livslängd. Modellen tog även hänsyn till miljö- och djuragenser. Miljöagenter som beaktades var bland annat vattenflöde, ljusinträngning och vattendjup. Flödesförhållanden, även om de inte är av stor betydelse för Potamogeton pectinatus , påverkar direkt spridningen av frön av Chara aspera . Flödesförhållanden påverkar riktningen såväl som avståndet fröna kommer att fördelas. Ljusinträngning påverkar Chara aspera starkt eftersom det kräver hög vattenkvalitet. Extinktionskoefficient (EC) är ett mått på ljuspenetration i vatten. När EC ökar minskar tillväxthastigheten för Chara aspera . Slutligen är djup viktigt för båda växtarterna. När vattendjupet ökar minskar ljusgenomträngningen vilket gör det svårt för någon av arterna att överleva bortom vissa djup.

Området av intresse för modellen var en sjö i Nederländerna vid namn Lake Veluwe . Det är en relativt grund sjö med ett medeldjup på 1,55 meter och täcker cirka 30 kvadratkilometer. Sjön är under övergödningsstress vilket gör att näringsämnen inte är en begränsande faktor för något av växtmedlen i modellen. Den initiala positionen för växtmedlen i modellen bestämdes slumpmässigt. Modellen implementerades med hjälp av mjukvarupaketet Repast och exekverades för att simulera tillväxten och sönderfallet av de två olika växtmedlen, med hänsyn tagen till de miljöagenter som tidigare diskuterats samt interaktioner med andra växtagens . Resultaten av modellutförandet visar att populationsfördelningen av Chara aspera har ett rumsligt mönster som mycket liknar GIS-kartorna över observerade utbredningar. Författarna till studien drar slutsatsen att medelreglerna som utvecklats i studien är rimliga för att simulera det rumsliga mönstret för makrofyttillväxt i just denna sjö.

Cellbaserad modellering

Huvudartikel: Cellbaserade modeller

Agentbaserad modellering används alltmer för att modellera beteendet hos enskilda celler i en vävnad. Dessa modeller är uppdelade i on- och off-lattice-modeller med on-lattice-modeller som cellulära automater och cellulära potts- modeller och off-lattice-modeller som centerbaserade modeller, vertexbaserade modeller, nedsänkta gränsmetoder och modeller baserade på subcellulära elementmetoden. Några exempel på specifika tillämpningar av cellbaserad modellering är:

Bakterieaggregation leder till biofilmbildning

En medelbaserad modell kan användas som modell för koloniseringen av bakterier på en yta, vilket leder till bildandet av biofilmer . Syftet med iDynoMiCS (individual-based Dynamics of Microbial Communities Simulator) är att simulera tillväxten av populationer och samhällen av individuella mikrober (små encelliga organismer som bakterier, arkéer och protister) som konkurrerar om utrymme och resurser i biofilmer nedsänkta i vattenmiljöer . iDynoMiCS kan användas för att försöka förstå hur individuell mikrobiell dynamik leder till framväxande egenskaper och beteenden på populations- eller biofilmsnivå. Att undersöka sådana formationer är viktigt i jord- och flodstudier, tandhygienstudier, infektionsforskning och medicinsk implantatrelaterad infektionsforskning och för att förstå biokorrosion. Ett agensbaserat modelleringsparadigm användes för att göra det möjligt att utforska hur varje enskild bakterie, av en viss art, bidrar till utvecklingen av biofilmen. Den första illustrationen av iDynoMiCS övervägde hur miljömässigt fluktuerande syretillgänglighet påverkar mångfalden och sammansättningen av en gemenskap av denitrifierande bakterier som inducerar denitrifieringsvägen under anoxiska eller låga syreförhållanden. Studien undersöker hypotesen att förekomsten av olika strategier för denitrifiering i en miljö kan förklaras genom att enbart anta att snabbare svar medför en högre kostnad. Den medelbaserade modellen antyder att om metabola vägar kan bytas utan kostnad ju snabbare byte desto bättre. Men där snabbare byte medför en högre kostnad, finns det en strategi med optimal svarstid för alla frekvenser av miljöfluktuationer. Detta tyder på att olika typer av denitrifierande strategier vinner i olika biologiska miljöer. Sedan denna introduktion fortsätter tillämpningarna av iDynoMiCS att öka: en nyligen genomförd utforskning av plasmidinvasionen i biofilmer är ett exempel. Denna studie undersökte hypotesen att dålig plasmidspridning i biofilmer orsakas av ett beroende av konjugation på tillväxthastigheten för plasmiddonatormedlet. Genom simulering föreslår uppsatsen att plasmidinvasion i en bosatt biofilm endast är begränsad när plasmidöverföring beror på tillväxt. Känslighetsanalystekniker användes som antyder att parametrar relaterade till timing (fördröjning före plasmidöverföring mellan ämnen) och rumslig räckvidd är viktigare för plasmidinvasion i en biofilm än det mottagande medlets tillväxthastighet eller sannolikhet för segregationsförlust. Ytterligare exempel som använder iDynoMiCS fortsätter att publiceras, inklusive användning av iDynoMiCS vid modellering av en Pseudomonas aeruginosa biofilm med glukossubstrat.

iDynoMiCS har utvecklats av ett internationellt team av forskare för att ge en gemensam plattform för vidareutveckling av alla individbaserade modeller av mikrobiella biofilmer och liknande. Modellen var ursprungligen resultatet av år av arbete av Laurent Lardon, Brian Merkey och Jan-Ulrich Kreft, med kodbidrag från Joao Xavier. Med ytterligare finansiering från National Center for Replacement, Refinement, and Reduction of Animals in Research (NC3Rs) 2013, fortsätter utvecklingen av iDynoMiCS som ett verktyg för biologisk utforskning, med nya funktioner som läggs till när så är lämpligt. Sedan starten har teamet förbundit sig att släppa iDynoMiCS som en öppen källkodsplattform , och uppmuntrat samarbetspartners att utveckla ytterligare funktionalitet som sedan kan slås samman till nästa stabila version. IDynoMiCS har implementerats i Java , med MATLAB- och R-skript för att analysera resultat. Biofilmstrukturer som bildas i simulering kan ses som en film med hjälp av POV-Ray- filer som genereras när simuleringen körs.

Bröststamcellsanrikning efter bestrålning under puberteten

Experiment har visat att exponering för joniserande bestrålning av pubertala bröstkörtlar resulterar i en ökning av andelen bröststamceller i körteln. Detta är viktigt eftersom stamceller anses vara nyckelmål för cancerinitiering genom joniserande strålning eftersom de har den största långsiktiga proliferativa potentialen och mutagena händelser kvarstår i flera dotterceller. Dessutom visar epidemiologiska data att barn som utsätts för joniserande strålning har en betydligt större risk för bröstcancer än vuxna. Dessa experiment väckte således frågor om den underliggande mekanismen för ökningen av bröststamceller efter strålning som kan utforskas av två medelbaserade modeller som används parallellt med in vivo och in vitro experiment för att utvärdera cellinaktivering, dedifferentiering via epitel-mesenkymal övergång ( EMT), och självförnyelse (symmetrisk delning) som mekanismer genom vilka strålning kan öka stamceller.

Den första agensbaserade modellen är en flerskalig modell av bröstkörtelutveckling som börjar med ett rudimentärt bröstkanalträd vid pubertetens början (under aktiv proliferation) hela vägen till en full bröstkörtel vid vuxen ålder (när det är liten proliferation). Modellen består av miljontals medel, där varje medel representerar en bröststamcell, en progenitorcell eller en differentierad cell i bröstet. Simuleringar kördes först på Lawrence Berkeley National Laboratory Lawrencium superdator för att parametrisera och jämföra modellen mot en mängd olika in vivo bröstkörtelmätningar. Modellen användes sedan för att testa de tre olika mekanismerna för att avgöra vilken som ledde till simuleringsresultat som matchade in vivo- experiment bäst. Överraskande nog bidrog inte strålningsinducerad cellinaktivering genom död till ökad stamcellsfrekvens oberoende av dosen som levererades i modellen. Istället avslöjade modellen att kombinationen av ökad självförnyelse och cellproliferation under puberteten ledde till stamcellsanrikning. Däremot visades epitelial-mesenkymal övergång i modellen öka stamcellsfrekvensen inte bara i pubertala bröstkörtlar utan även i vuxna körtlar. Denna senare förutsägelse motsatte sig emellertid in vivo -data; bestrålning av vuxna bröstkörtlar ledde inte till ökad stamcellsfrekvens. Dessa simuleringar föreslog därför självförnyelse som den primära mekanismen bakom ökningen av pubertetsstamceller.

För att ytterligare utvärdera självförnyelse som mekanismen skapades en andra medelbaserad modell för att simulera tillväxtdynamiken hos mänskliga bröstepitelceller (innehållande stam-/progenitor- och differentierade cellsubpopulationer) in vitro efter bestrålning. Genom att jämföra simuleringsresultaten med data från in vitro -experimenten bekräftade den andra agensbaserade modellen ytterligare att celler måste föröka sig i stor utsträckning för att observera en självförnyelseberoende ökning av stam-/progenitorcellsantalet efter bestrålning.

Kombinationen av de två medelbaserade modellerna och in vitro / in vivo- experimenten ger insikt i varför barn som utsätts för joniserande strålning har en väsentligt större risk för bröstcancer än vuxna. Tillsammans stöder de hypotesen att bröstet är mottagligt för en övergående ökning av stamcellers självförnyelse när det utsätts för strålning under puberteten, vilket förbereder den vuxna vävnaden att utveckla cancer årtionden senare.

Se även

• Autonom agent – ​​Typ av autonom enhet i programvara
• Intelligent agent – ​​Programvaruagent som agerar självständigt