[論文レビュー] The URDME manual Version 1.5

Stefan Engblom|ArXiv.org|Feb 17, 2009

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

URDME 1.5 は、非構造格子上で反応拡散マスター方程式（RDME）を用いた反応拡散過程のためのモジュラーで効率的なソフトウェアフレームワークを提供する。Comsol Multiphysics および MATLAB の PDE Toolbox と統合されており、複雑な細胞形状の柔軟なモデリングを可能にするとともに、C コアと拡張可能なプラグインアーキテクチャを介して、次サブボリューム法（NSM）などの高度なソルバをサポートする。

ABSTRACT

We have developed URDME, a general software for simulation of stochastic reaction-diffusion processes on unstructured meshes. This allows for a more flexible handling of complicated geometries and curved boundaries compared to simulations on structured, cartesian meshes. The underlying algorithm is the next subvolume method, extended to unstructured meshes by obtaining jump coefficients from a finite element formulation of the corresponding macroscopic equation. This manual describes version 1.5 of the software. Refer to http://www.urdme.org for the latest updates.

研究の動機と目的

• 複雑な細胞形状におけるミクロスコピックの反応拡散過程をスケーラブルかつモジュラーにシミュレートするフレームワークを提供すること。
• 攪拌均一モデルの制限を克服し、非構造格子上の RDME を用いた空間的に分解能の高い確率的シミュレーションを可能にすること。
• Comsol や PDE Toolbox といった高水準の前処理・後処理ツールとの統合を通じて、効率的で拡張可能なシミュレーションを支援すること。
• カスタムソルバ用のプラグインアーキテクチャを介して、新しい確率的シミュレーションアルゴリズムの開発とテストを容易にすること。
• 最小限のコードオーバヘッドで神経伝達、サブディフュージョン、細胞集団などの生物学的に関連する系をモデリングできるようにすること。

提案手法

• 非構造格子上での空間的分解能のあるミクロスコピックの確率的プロセスをモデリングするために、反応拡散マスター方程式（RDME）を用いる。
• Gibson と Bruck の次反応法の拡張である次サブボリューム法（NSM）を採用し、効率的なキネティックモンテカルロシミュレーションを実現する。
• 幾何形状定義、メッシュ生成、可視化のため、C コアを介して Comsol Multiphysics および MATLAB の PDE Toolbox と統合する。
• ソルバを MEX ファイルとして実装するプラグインアーキテクチャを提供し、新しいシミュレーションアルゴリズムの統合を容易にする。
• `mphinterp` などの組み込み関数を活用して、Comsol からメッシュの特性（例：サブボリュームのサイズ）を抽出し、感受性計算に活用する。
• 構造化された MATLAB 構造体と `rparse` のようなユーティリティ関数を用いてモデル定義を簡素化し、C コードの手動編集を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑で非構造的な細胞形状における確率的反応拡散過程を、どのように効率的にシミュレートできるか？
• RQ2 高水準のモデリング環境と、高性能で低レベルのシミュレーションエンジンを、空間的確率的モデリングにおいて効果的に統合する方法は何か？
• RQ3 RDME フレームワークを、サブディフュージョン、神経伝達ダイナミクス、多細胞集団といった高度な現象をサポートするように拡張するにはどうすればよいか？
• RQ4 実用的な生物学研究者には使いやすく、アルゴリズム開発者には拡張可能であるソフトウェアアーキテクチャとは何か？
• RQ5 確立された有限要素ソフトウェアを用いて、シミュレーション結果をどのように効率的に後処理および可視化できるか？

主な発見

• URDME 1.5 は、RDME 形式を用いて非構造格子上で正確かつ効率的な確率的シミュレーションを可能にし、複雑な生物学的形状をサポートする。
• Comsol Multiphysics および PDE Toolbox との統合により、ユーザーは低レベルのコーディングなしで複雑な領域を定義し、結果を可視化できる。
• NSM ソルバは MEX インターフェース経由で効率的にコンパイル・実行され、異なる乱数シードを用いた複数のシミュレーションレプリケートをサポートする。
• `rparse` や `mphinterp` などのユーティリティ関数は、手動での C コード編集の必要性を著しく低減し、モデルセットアップを簡素化する。
• フレームワークはサブディフュージョン、ニューロン、DLCM の3つの新しいワークフローをサポートし、それぞれ例題モデルとドキュメントを備える。
• 後処理は Comsol の可視化ツールをネイティブにサポートしており、時間ステップ間の補間および表面・断面図のプロット機能を備える。