基于肌浆网环境的骨骼肌多尺度建模与仿真的任务书.docx

基于肌浆网环境的骨骼肌多尺度建模与仿真的任务书
任务书
一、背景介绍
骨骼肌是人体最重要的组成部分之一，由肌纤维束构成。而肌纤维束则由肌原纤维、细胞外基质和肌细胞膜等组成。肌纤维束的结构和微观力学性质对骨骼肌的大尺度力学行为具有至关重要的作用。在骨骼肌收缩时，肌细胞中的肌原纤维在起缩作用下将肌纤维束拉伸，进而导致肌细胞膜下的肌质流动。这种流动会间接影响到骨骼肌整体的力学行为。因此，了解肌纤维束在微观尺度的结构和力学特性对于研究和模拟骨骼肌运动学和力学行为具有重要意义。
在肌纤维束中，肌原纤维由薄丝和厚丝蛋白交替排列，薄丝和厚丝蛋白又与调节蛋白结合组成肌节。而肌原纤维又由许多肌纤维小节组成。这些调节蛋白和组成肌节的薄丝和厚丝蛋白之间的相互作用可形成肌节收缩。同时，肌细胞内存在大量的肌粒，肌粒是一组互不连通、形状各异的薄膜囊泡，其内含有线粒体、储存和释放钙离子的肌质网等。肌原纤维、肌粒、肌质网和肌细胞膜之间有相互作用，共同参与肌纤维束的收缩和放松过程。
因此，精细建模和仿真肌纤维束在微观尺度的结构和力学特性，对于深入研究骨骼肌整体力学行为和力运动学具有关键作用。本任务将针对肌浆网环境中的骨骼肌多尺度建模和仿真展开研究。
二、研究目标
本项目的研究主要目标是以肌浆网环境为基础，基于多尺度、多物理场和多物质的建模和仿真技术，建立肌纤维束在微观尺度的结构和力学特性的精细模型，并通过仿真技术来探索肌纤维束的收缩和放松过程，最终实现对于骨骼肌整体力学行为和力运动学的深入理解。
具体目标如下：
1.基于生物学和物理学的实验数据，建立肌纤维束多尺度、多物理场和多物质精细模型。
2.建立肌纤维束与肌粒、肌质网和肌细胞膜等成分之间的相互作用精细模型。
3.建立基于有限元方法的肌纤维束收缩和放松动力学仿真模型。
4.以仿真技术为工具，了解肌纤维束收缩过程中的力学机制和相互作用关系。
5.设计相关实验，检验和验证肌纤维束收缩力和肌纤维束形态等预测数据的有效性和可靠性。
三、研究内容
1.研究肌纤维束微观结构和动力学特性。通过对生物学和物理学实验数据的分析和整合，深入研究肌纤维束的微观结构特征和力学特性。
2.建立肌浆网环境的精细模型。基于肌浆网环境的特殊性质，建立相应的多尺度、多物理场和多物质模型，包括肌卫蛋白、肌动蛋白、肌原纤维、肌粒、肌质网和肌细胞膜等。模型的建立应考虑各种场和物质之间的相互作用，并以物理学为基础，将模型建立在力学与化学的统一框架下。
3.完善肌纤维束力学运动学模型。基于有限元方法和多物理场耦合模型，建立肌纤维束收缩和放松过程的动力学模型。该模型应能够模拟并预测肌纤维束收缩状态下的变形和力学性质，并且模型的参数应该可以随着各种条件（例如钙离子浓度）而发生变化，模拟贴切变形和分子内/间的相互作用。
4.仿真计算、分析和验证模拟结果。通过数值计算，模拟和分析肌纤维束的微观结构和生物物理特性，同时对仿真结果进行验证和评估。同时，对模型的可扩展性、精度和稳定性进行评估和测试，以优化模型参数。
5.设计并进行实验验证。设计结果验证实验，比较仿真结果和实验结果之间的差异和一致性，以验证模型的有效性。
四、研究任务
1.收集、整理和分析肌纤维束结构和动力学特性的相关文献和实验数据。
2.建立骨骼肌微观结构和力学特性的多尺度、多物理场和多物质精细模型，包括肌卫蛋白、肌动蛋白、肌原纤维、肌粒、肌质网和肌细胞膜等。
3.基于有限元方法建立肌纤维束收缩和放松过程的动力学模型，并进行计算、分析和验证。
4.比较和分析仿真结果和实验结果之间的差异和一致性，以验证模型的有效性。
5.针对已有研究的不足，将模型进行探究和改进，提出新的建模和仿真方案，不断完成对于肌纤维束收缩和放松过程的精细建模和仿真。
五、研究成果
基于肌浆网环境的骨骼肌多尺度建模和仿真技术的研究成果包括：
1.肌纤维束微观结构和动力学特性的综合分析和总结。
2.基于肌浆网环境的精细模型（多尺度，多物理场，多物质）及收缩和放松过程动力学模型。
3.仿真计算和仿真结果的分析报告。
4.建模过程中出现的问题及解决方案的总结和分析。
5.本研究成果在骨骼肌整体力学和力学运动学方面的应用和推广。
六、研究周期
本研究的预计周期为两年。
七、研究经费
本研究的预计经费为100万人民币。
八、研究团队
本研究由高校教师和研究人员组成的多学科团队共同完成。团队注重跨学科合作，从分子生物学、生物物理学、力学建模和仿真等多个角度探讨问题，相互交流和协作，共同完成研究目标。