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离子通道电流计算的PNP方程的模型和计算上改进的一些研究
结题报告
批准号:
11561016
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
阳莺
依托单位:
学科分类:
A0501.算法基础理论与构造方法
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
李郴良、沈瑞刚、沈德培、李雪芳
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中文摘要
离子通道问题的研究在探索和理解生物现象和机制方面有着重要意义。Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程是一类偏微分方程的耦合模型,是当前离子通道理论研究中最有效的模型,也是实验研究强有力的补充。但是,PNP方程的电流计算结果与实验结果相比存在两个问题:1. 高电压下误差大;2. 低电压下需反复调整参数才能达到计算精度。为此,我们拟从PNP模型和计算上两方面进行改进,希望明显减少高电压下的计算误差,实现低电压下参数选择的自动调整,从而减少PNP计算与实验数据的误差。首先,我们拟通过对模型添加离子数目的限制项来改进PNP的模型,间接限制电流随电压的无限增长,减少高电压下的误差;其次,我们拟通过调整计算时使用的离子通道的形状来改进PNP的有限元计算,减少高电压下的误差;进一步,我们拟研究参数与电流之间的泛函关系,实现PNP计算时对参数的自动调整。
英文摘要
The studies on ion channels problems are very important on exploring and understanding biological phenomena and mechanism. The Poisson-Nernst-Planck(PNP) equation is a kind of partial differential coupled system, which is the most efficient model in the theoretical research for ion channels and also is a powerful supply for the experimental research. However, comparing with the experimental data, there are two problems for the results of currents derived from PNP computation: one is the error is large under high voltages and another is that the parameters need to be adjusted again and again to reach the accuracy under low voltages. Hence, we shall improve the model and computation to reduce the error under the high voltage and realize the automatic adjustment of the parameters, which will reduce the error between the computation of PNP and experimental data. First, we shall modified the PNP model by adding some limitation terms, which will restrict the unlimited growth of the current with the voltage and reduce the error under the high voltages. Second, we shall adjust the shape of the ion channel to improve the computation of the finite element method for PNP equations and reduce the error under the high voltages. Furthermore, we shall study the functional relationship between the parameters and the current to realize the automatic adjustment of parameters in PNP computation.
本项目研究如何从PNP方程的模型和计算两方面进行改进,减少高电压下的计算误差,实现低电压下参数选择的自动调整,减少PNP方程的电流计算结果与实验数据的误差,提高PNP计算的准确性。首先,我们对于一类添加了离子浓度限制项的改进PNP模型,设计了有限元离散,给出了离子通道领域的改进PNP模型的数值计算结果。与相关工作相比,实现了添加限制项的改进PNP模型在离子通道领域的数值模拟。其次,对于改进的PNP模型,通过扩散系数、介电常数和通道形状等参数的调整,计算出了离子通道的电流。计算结果与实验结果相比,较大程度上提高了现有的PNP模型计算电流的准确性,减少了高电压下电流的误差。从数值模拟的角度上验证了在PNP方程中添加浓度限制项,可以减少高电压下电流计算的误差,提高PNP方程数值模拟的准确性。最后,通过有限元超收敛技术和有限元自适应方法,提高了改进PNP方程的计算效率。这些数值计算技巧或方法亦可应用于PNP方程在其他生物领域的实际计算,提高计算效率。. 对本项目的研究,共发表相关学术论文10篇,其中被SCI收录2篇,被EI收录1篇,中文核心4篇。培养硕士研究生5名,博士研究生1名。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:https://doi.org/10.1007/s12190-019-01270-1
发表时间:2019
期刊:Journal of Applied Mathematics and Computing (网上发表: https://doi.org/10.1007/s12190-019-01270-1)
影响因子:--
作者:Xiaoting Gan;Ying Yang;Kun Zhang
通讯作者:Kun Zhang
A robust numerical method for pricing American options under Kou’s jump-diffusion models based on penalty method
基于惩罚法的寇跳扩散模型下美式期权定价的鲁棒数值方法
DOI:10.1007/s12190-019-01270-1
发表时间:2019-05
期刊:Journal of Applied Mathematics and Computing
影响因子:2.2
作者:Xiaoting Gan;Ying Yang;Kun Zhang
通讯作者:Kun Zhang
A decoupling two-grid method for the time-dependent Poisson-Nernst-Planck equations
时变泊松-能斯特-普朗克方程的解耦二网格法
DOI:10.1007/s11075-019-00744-4
发表时间:2018-04
期刊:Numerical Algorithms
影响因子:2.1
作者:Shen Ruigang;Shu Shi;Yang Ying;Lu Benzhuo
通讯作者:Lu Benzhuo
DOI:--
发表时间:2019
期刊:高等学校计算数学学报
影响因子:--
作者:朱婉婉;沈瑞刚;阳莺
通讯作者:阳莺
DOI:--
发表时间:--
期刊:计算数学(已录用,2020)
影响因子:--
作者:房明娟;唐鸣;阳莺
通讯作者:阳莺
Poisson-Nernst-Planck方程的虚单元法及其在离子通道中的应用
  • 批准号:
    12161026
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    32万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    阳莺
  • 依托单位:
生物分子系统中电扩散连续模型的有限元计算
  • 批准号:
    11001062
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    阳莺
  • 依托单位:
国内基金
海外基金