CellML

CellML — это XML на основе язык разметки для описания математических моделей . Хотя теоретически он может описать любую математическую модель, изначально он был создан с учетом проекта «Физиом» и, следовательно, использовался в первую очередь для описания моделей, относящихся к области биологии. Это отражено в его названии CellML, хотя это просто имя, а не аббревиатура. Популярность CellML как портативного формата описания вычислительных моделей растет, и группы по всему миру используют CellML для моделирования или разработки программных инструментов на основе CellML. CellML похож на язык разметки системной биологии SBML , но предоставляет больше возможностей для модульности и повторного использования модели и не предназначен для описаний биохимии.

История

Язык CellML возник из-за необходимости совместного использования моделей динамики сердечных клеток среди исследователей из ряда центров по всему миру. Первоначальная рабочая группа, сформированная в 1998 году, состояла из Дэвида Булливанта, Уоррена Хедли и Пола Нильсена; все трое в то время были членами факультета инженерных наук Оклендского университета. Этот язык представлял собой применение спецификации XML, разработанной Консорциумом World Wide Web. Решение использовать XML было основано на рекомендациях конца 1998 года Уоррена Хедли и Андре (Дэвида) Никерсона. Существующие языки на основе XML использовались для описания математики (содержание MathML ), метаданных ( RDF ) и связей между ресурсами ( XLink ). Рабочая группа CellML впервые узнала об усилиях SBML в конце 2000 года, когда Уоррен Хедли посетил 2-й семинар по программным платформам для системной биологии в Токио.

Рабочая группа сотрудничала с рядом исследователей из Physiome Sciences Inc. (в частности, с Мелани Нельсон, Скоттом Леттом, Марком Грелингером, Прасадом Рамакришной, Джереми Райсом, Адамом Музикантом и Кам-Чуэном Джимом) для разработки первоначальной спецификации CellML 1.0, которая была опубликовано 11 августа 2001 г. За этим первым проектом последовали спецификации метаданных CellML и обновление CellML, обеспечивающее структурированную вложенность моделей с добавлением элемента <import>. Physiome Sciences Inc. также выпустила первое программное обеспечение с поддержкой CellML. Национальный ресурс клеточного анализа и моделирования (NRCAM) в Центре здоровья Университета Коннектикута также выпустил раннее программное обеспечение с поддержкой CellML под названием Virtual Cell .

В 2002 году была написана спецификация CellML 1.1, в которую был добавлен импорт. Импорт предоставляет возможность включать в модель внешние компоненты, обеспечивая модульное моделирование. и другими спецификациями продолжалась Эта спецификация была заморожена в начале 2006 года. Работа над метаданными .

В июле 2009 года веб-сайт CellML был полностью обновлен и была выпущена первоначальная версия нового программного обеспечения репозитория CellML (PMR2).

Структура модели CellML

Модель CellML состоит из ряда компонентов, каждый из которых описан в своем собственном элементе компонента. Компонент может быть полностью концептуальным объектом, созданным для удобства моделирования, или иметь реальную физическую интерпретацию (например, он может представлять собой клеточную мембрану).

Каждый компонент содержит ряд переменных, которые необходимо объявить, поместив переменный элемент внутри компонента. Например, компонент, представляющий клеточную мембрану, может иметь переменную V, представляющую разность потенциалов (напряжение) на клеточной мембране.

Математические связи между переменными выражаются внутри компонентов с помощью MathML . MathML используется для создания декларативных выражений (в отличие от процедурных операторов, как в языке программирования ). Однако большинство программ обработки CellML поддерживают только ограниченный диапазон математических вычислений (например, некоторые программы обработки требуют уравнений с одной переменной на одной стороне равенства). Выбор MathML делает CellML особенно подходящим для описания моделей, содержащих дифференциальные уравнения. Не существует механизма выражения стохастических моделей или любой другой формы случайности.

Компоненты можно соединять с другими компонентами с помощью элемента соединения, который описывает имена двух соединяемых компонентов, а также переменные в первом компоненте, которые сопоставляются с переменными во втором компоненте. Такие связи представляют собой утверждение о том, что переменная в одном компоненте эквивалентна другой переменной в другом компоненте.

Модели CellML также позволяют выражать отношения между компонентами. Спецификация CellML определяет два типа отношений: инкапсуляцию и включение, однако пользователь может определить больше. Отношение включения используется для выражения того, что один компонент физически находится внутри другого. Отношение инкапсуляции является особенным, поскольку это единственное отношение, которое влияет на интерпретацию остальной части модели. Эффект инкапсуляции заключается в том, что компоненты, инкапсулированные под другими компонентами, являются частными и доступны только для компонента, расположенного непосредственно выше в дереве инкапсуляции. Разработчик модели может использовать инкапсуляцию в качестве концептуального инструмента, и она не обязательно имеет какую-либо физическую интерпретацию.

Технические характеристики

CellML определяется основными спецификациями, а также дополнительными спецификациями метаданных, используемых для аннотирования моделей и определения моделирования.

СеллМЛ 1.0

CellML 1.0 была первой окончательной спецификацией и используется для описания многих моделей в репозитории моделей CellML .

CellML 1.0 имеет некоторые специфические биохимические элементы для описания роли переменных в модели реакции.

CellML 1.1

В CellML 1.1 появилась возможность импорта компонентов и модулей. Чтобы полностью поддерживать эту функцию, переменные в CellML 1.1 принимают имена переменных в качестве начальных значений.

Спецификации метаданных

CellML имеет несколько спецификаций метаданных, используемых для аннотирования моделей или предоставления информации для запуска и/или визуализации моделирования моделей.

• Спецификация метаданных 1.0 используется для аннотирования моделей разнообразной информацией; соответствующие ссылки, информация об авторстве, вид, к которому относится модель, и так далее.
• Метаданные моделирования предоставляют информацию, необходимую для воспроизведения конкретных симуляций с использованием модели CellML.
• Метаданные графиков предоставляют информацию для определения конкретных визуализаций результатов моделирования, например, для воспроизведения определенного графика из бумаги.

CellML.org

CellML.org стремится стать центром внимания сообщества CellML. Участники могут отправлять, просматривать и обновлять модели, а также получать отзывы и помощь от сообщества. Список рассылки обсуждений CellML можно найти в списке рассылки обсуждений CellML . В сферу действия этого списка рассылки входит все, что связано с разработкой и использованием CellML.

Репозиторий нескольких сотен биологических моделей, закодированных в CellML, можно найти на веб-сайте сообщества CellML по адресу CellML Model Repository . Эти модели активно проходят процесс обработки с целью предоставления аннотаций биологических онтологий, таких как онтология генов , и проверки моделей на соответствие стандартам баланса единиц и биофизическим ограничениям, таким как сохранение массы, заряда, энергии и т. д.

Внешние ссылки

• Домашняя страница CellML
• Проект ИЮПС «Физиом»
• Проект Физиом ЯПОНИЯ
• Интерактивные модели клеток . Java-версии многих моделей сердца CellML.

См. также

• СБМЛ
• БиоПАКС