Complex Dynamics in Physiological Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Dana, Syamal K. (EDT)/ Roy, Prodyot K. (EDT)/ Kurths, Jurgen (EDT)

出品人:

页数:288

译者:

出版时间:2008-11

价格:$ 270.07

装帧:

isbn号码:9781402091421

丛书系列:

图书标签:

复杂动力学
生理系统
非线性动力学
建模
仿真
生物医学工程
系统生物学
混沌理论
时间序列分析
数据分析

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具体描述

Nonlinear dynamics has become an important field of research in recent years in many areas of the natural sciences. In particular, it has potential applications in biology and medicine; nonlinear data analysis has helped to detect the progress of cardiac disease, physiological disorders, for example episodes of epilepsy, and others. This book focuses on the current trends of research concerning the prediction of sudden cardiac death and the onset of epileptic seizures, using the nonlinear analysis based on ECG and EEG data.Topics covered include the analysis of cardiac models and neural models. The book is a collection of recent research papers by leading physicists, mathematicians, cardiologists and neurobiologists who are actively involved in using the concepts of nonlinear dynamics to explore the functional behaviours of heart and brain under normal and pathological conditions. This collection is intended for students in physics, mathematics and medical sciences, and researchers in interdisciplinary areas of physics and biology.

动态系统理论在生物医学领域的应用前沿书名：复杂动力学在生理系统中的应用前沿简介：本书深入探讨了非线性动力学和复杂系统理论在理解和建模复杂生理过程中的前沿应用。重点关注如何利用数学工具来解析生物系统中固有的复杂性、适应性和稳态维持机制。内容旨在为生物物理学家、生物医学工程师以及对跨学科研究感兴趣的读者提供一个全面而深入的视角，展示从细胞到器官系统层面，动力学方法如何揭示生命现象背后的基本原理。第一部分：基础理论与建模范式本部分首先回顾了理解复杂生理现象所必需的数学和物理学基础。我们摒弃了传统的线性、稳态假设，转而强调相空间分析、分岔理论和混沌动力学在描述生物系统的真实行为中的必要性。第一章：生理系统中的非线性本质本章详述了生物系统如何本质上是高度非线性的。我们将讨论酶促反应动力学、神经元膜电位的Hodgkin-Huxley模型的非线性特性，以及如何通过耦合振子系统来模拟同步化现象，如心肌细胞或群体神经元活动。重点将放在理解为什么简单的线性叠加原理在生物学中往往失效，并引入了非平衡态热力学的基本概念，为后续的复杂性分析奠定基础。第二章：从数据到模型：系统生物学的动力学建模方法本章聚焦于构建准确描述生理系统的数学模型。我们将详细介绍常微分方程（ODE）系统的构建、参数估计和模型验证技术。尤其关注基于机制的模型（Mechanistic Models）的构建流程，强调如何将已知的分子生物学知识转化为可计算的动力学方程。此外，还讨论了偏微分方程（PDE）在描述空间异质性（如药物在组织中的扩散或形态发生）中的应用，以及如何利用随机过程（如Langevin方程或主方程）来处理细胞尺度上固有的随机涨落。第三章：稳定性、分岔与生物学转折点理解生物系统如何维持稳定状态并应对扰动是生理学的核心挑战。本章系统性地介绍了稳定性分析，包括线性稳定性分析和全局稳定性概念。核心内容是分岔理论的应用，用以解释生物系统“相变”的机制。例如，我们将分析细胞周期失控（癌症的起源）、神经元从静息态到发放状态的转变（鞍结分岔或霍普夫分岔），以及内分泌系统中激素反馈回路的振荡行为。理解分岔点，即系统性质发生突变的关键参数值，对于理解疾病的发生至关重要。第二部分：特定生理系统的动力学解析本部分将理论框架应用于具体的、具有重要临床意义的生理系统，展示动力学分析如何提供超越传统方法的深刻洞见。第四章：心血管系统的节奏与调控心脏是一个经典的生物振荡器。本章深入分析心肌细胞的耦合振子动力学，研究动作电位产生的离子通道动力学模型。重点探讨心律失常的动力学起源，例如房颤和室速，它们通常表现为复杂的螺旋波或折叠吸引子。此外，我们将分析血液动力学中的负反馈回路，特别是压力反射如何通过神经-体液耦合机制维持血压的动态平衡，并探讨这些反馈环路失稳导致的体位性低血压等问题。第五章：神经信息处理的集体动力学本章侧重于神经元群体的复杂行为。讨论皮层振荡（如Alpha, Gamma波）的产生机制，这通常涉及兴奋性和抑制性神经元的复杂相互作用。应用Kuramoto模型或其生物学变体来解释群体同步化现象，以及这在认知功能和感觉处理中的作用。同时，分析神经退行性疾病（如帕金森病）中观察到的病理性振荡或放电模式的丢失，并将其归因于特定的动力学失稳。第六章：代谢网络与稳态控制代谢系统是物质和能量流动的复杂网络。本章利用生化反应网络的动力学分析来理解代谢稳态。我们将考察糖酵解和胰岛素信号通路中的振荡行为（如胰岛素分泌的节律性），并分析代谢重编程——癌症细胞为适应新环境而发生的动力学转变。重点讨论如何利用代谢控制理论（MCT）的动力学视角来识别关键调控节点。第七章：免疫系统的时间维度免疫反应是一个高度动态和适应性的过程。本章关注抗原-抗体反应的动力学建模，以及免疫细胞（如T细胞和B细胞）的激活、增殖和耗竭的动力学轨迹。讨论如何利用种群动力学模型（如Lotka-Volterra类模型）来描述病原体与宿主免疫系统的共存或竞争，以及疫苗接种策略的时间依赖性效应。第三部分：复杂性、适应性与疾病的动力学理解本部分将视角提升到更宏观的系统层面，探讨复杂性如何与疾病和治疗效果相关联。第八章：复杂性与适应性：从混沌到可预测性本章探讨混沌在生理系统中的双重角色：既是失控（疾病）的标志，也可能是一种鲁棒性的体现。我们将分析低维混沌吸引子在某些生理信号（如心率变异性）中的存在，并讨论如何通过“边缘计算”（Edge of Chaos）的概念来描述系统在高度适应性和稳定控制之间的最佳工作点。内容将涵盖吸引子破碎作为疾病进展的信号。第九章：网络拓扑与系统弹性将动力学模型置于网络理论的框架下。本章研究不同网络拓扑结构（如小世界网络、无标度网络）对系统弹性（Resilience）和脆弱性的影响。例如，分析大脑皮层网络中关键节点的移除（如中风或损伤）如何通过网络动力学传播故障，并讨论如何设计增强系统弹性的干预措施。第十章：动力学方法在精准医疗中的应用本章展望动力学分析在个体化治疗中的实际潜力。讨论如何利用患者特定的生理数据（如连续血糖监测、动态心电图）来拟合个人化的动力学模型。这些模型可以用于预测药物剂量对特定患者生理状态的动态影响，评估治疗方案的滞后效应和长期稳定性，从而推动从基于平均值的治疗向基于个体动态轨迹的治疗范式的转变。本书旨在提供一套强大的分析工具，使研究者能够超越对静态快照的描述，深入理解生命过程所固有的时间依赖性和内在的复杂性，为解决重大的生物医学难题提供新的理论和计算途径。