造血系统动力学分析与控制策略研究

This project studies the dynamics and contorl strategies of high dimensional delay dynamical systems that describe the regulations in hematopoiesis through theories and methods used in nonlinear dynamics. Main contents include: (1) stability and bifurcation analysis for the system in order to estiblish relastionships between the oscillation patterns and perturbations in system parameters; (2) studies of how the sytem in response to parametric excitation to establish the reslationship between system responses and patterns of parameter excitation; (3) parameter idenfication according to experimental data in order to estabilish the relasionships between disease features and system parameters for different types of dynamical hematopoiesis diseases; (4) investigations of control strategies that are able to produce or eliminate oscillations in hematopoiesis. This project is an extension and further development for the study of nonlinear dynamics. It will help people to estabish theoretical basis for understanding the pathology for some dynamical hematopoiesis diseases and for designing control stragtegies to treat these discreases. Meanwhile, this project can improve our understanding for the regulatory system and control strategies in human body, and extend the application of bionics to mechanical and control issues.

本项目应用非线性动力学的理论和方法，研究描述造血系统调控机制的高维时滞非线性动力系统的动力学问题和控制策略。主要包括：（1）对造血系统模型进行稳定性与分岔分析，建立造血系统动力学的振动模式和参数之间的对应关系；(2)对造血系统进行参数激励下系统响应的研究，建立系统的响应与参数激励机制之间的对应关系；（3）结合实验数据对造血系统的关键参数进行参数识别，建立动态血液病的病理特性和系统参数之间的关系；（4）对造血系统模型研究参数控制和状态控制下产生或者消除大振幅振荡解的控制策略。本项目的研究工作是非线性动力学的推广、扩充和深入发展，将为了解特定动态血液病的病理和设计合理可行的控制治疗方案建立理论基础，同时增进了解人体生命系统调控机制的动力学和控制策略，拓展仿生学在力学与控制中的应用。

造血干细胞的增殖与分化和许多血液系统疾病密切相关，受到从微观到宏观不同尺度的调控。本项目建立数学模型从微观调控到宏观动力学对干细胞增殖调控的非线性动力学问题进行研究。在本项目中，我们对干细胞体系增殖与分化平衡的动力调控问题提出了基于随机动态规划的干细胞再生调控的数学模型，对干细胞体系的异质性和调控机制进行定量研究。对造血系统在随机干扰下的稳定性问题，提出了相应的线性时滞微分方程解的二阶矩有界性问题，并彻底解决了此类问题特征函数的定义问题。对小分子 PDCD5 调控细胞凋亡的分子机制建立数学模型并进行和动力学分岔分析，从能量景观的角度阐述了 PDCD5 调控DNA 损伤后细胞凋亡启动的机制。对造血系统疾病的动力学控制问题进行研究，提出了多稳态下动力学控制的策略。这些结果对干细胞增殖和分化调控的可计算建模和造血系统动力学的非线性现象的刻画给出了有意义的结果，扩充了人们对这些复杂生命现象的认识，同时丰富了相关问题的定量模型的数学形式和分析方法，具有重要的科学意义，对下一步研究干细胞增殖与分化相关疾建立了很好的基础.