放射性药物动态模型建立与参数估计：PET定量分析（一）

正电子放射断层成像技术（Positron Emission Tomography,PET）是广泛应用的功能成像系统,也是分子影像技术之一。PET定量分析为疾病早期诊断、药物疗效评估、疾病发展进程观察提供高灵敏度高精确度的工具。本文介绍PET成像技术中放射性药物动态模型的建立与相关的参数估计分析。     

普通克立格法在昆虫生态学中的应用

地统计学是以区域化变量为基础,以变差函数为主要工龄,分析空间相关变量结构的统计方法。在对波动较大的实验变差函数进行拟合时,虽无法获得最优拟合,但运用人机对话的拟合方法来灵活选取参数,可以得到较理想的变差函数模型的参数。本文运用加权多项式回归法以及人机对话的方法,得到了较理想的1级与2级球状模型拟合结果,同时利用直线函数对实验变差函数进行了拟合,最后利用普通Kriging法,对待估计点进行各理论模型的最优、线性、无偏内插估计,得出克立格内插权重。将此方法应用于广东省四会市大沙镇富溪乡试验田稻飞观测数据,由待估点周围若干观测点的数据,有效地估计出待估点的昆虫分布密度,并讨论比较了不同理论模型的拟合效果以及估计误差。结果表明,2级球状模型的拟合最好,一级球状模型次之,直线函数的拟合最差,但直线函数计算最为简便。     

用空间直观模型是否足以从斑块占据性资料中推断集合种群的动态过程?

在集合种群的研究中,经常要根据空间占据性数据应用斑块模型来推断种群的动态过程,在保护生物学应用中,斑块占据性模型的参数估测对于阐释集合种群动态和预测种群对生境破坏的反应极为重要。我们探讨了一种广泛应用的空间直观模型——率函数模型(Incidence function model)中参数估测的不确定性问题,通过构建由50个斑块组成的网络和两个假想的已知参数的集合种群,应用模拟模型产生集合种群随时间变化的斑块占据性数据系列：即快照(snapshot)。然后,根据这些快照,应用率函数模型和最大似然法估测种群动态参数。此外,我们还给出了传统的率函数模型的一个变形,这个变形包含了目标区效应(Target area effect)：即一个斑块的占据概率不但取决于空间隔离度,也取决于斑块本身面积的大小。结果表明：根据同一个集合种群不同的快照所估测的参数可以有很大差异,一个快照得出的参数提示的是占据性强但存活率低的集合种群,而另一个快照可能反映的是一个占据性弱但存活率高的集合种群。应用传统的率函数模型于一个包含了目标区效应的集合种群,导致斑块大小相关的灭绝率参数估测的正偏差。因此,仅根据一个快照的空间占据性数据来推测集合种群的过程有很大的不确定性[动物学报49(6)：787～794,2003]。     

人类群体遗传空间结构的"克立格"模型

通过将“克立格”技术应用于人类群体遗传学领域,构建了人类群体遗传空间结构的“克立格”模型,并论述了其原理和计算方法。以HLA-A基因座为例,应用“克立格”模型,定量分析了中国人群HLA-A基因座的空间遗传异质性;对HLA-A基因频率的空间数据矩阵进行了主成分分析,进而定义了人类群体遗传结构的综合遗传测度(SPC),绘制了综合遗传测度和主成分(PC)的“克立格”地图,分析了其群体遗传空间结构特性。与其他空间插值或平滑方法相比,人类群体遗传空间结构的“克立格”模型具有明显优点：1)“克立格”估计以空间遗传变异函数模型为基础,在绘制空间遗传结构地图之前,可利用变异函数模型定量分析所研究基因座(或多基因座)的空间遗传异质性;2)“克立格”插值方法是真正意义上的无偏估计模型,它利用待估区域周围的已知群体遗传调查点数据,并充分考虑调查点的空间影响范围,给出待估区域的最优估计值;3)“克立格”模型允许估计插值误差,这种插值误差既可用于评价空间估计效果,又可通过绘制误差地图指导在误差过高的地点增加新的群体遗传调查样本点,以优化估计效果。然而,人类群体遗传空间结构的“克立格”模型也存在一定缺点：1)若不能用任何理论遗传变异函数模型拟合观察遗传变异函数值,则不能建立“克立格”模型;2)若理论遗传变异函数的拟合优度很低,则据此建立的“克立格”模型的估计标准差在整个空间范围内会很大,此时“克立格”模型不适用于估计群体遗传空间结构。出现上述两种情形时,应选用不考虑空间相关性的空间随机插值方法绘制群体遗传结构地图,如基因绘图软件中的Cavalli-Sforza方法,反向距离加权法和条样函数插值法等。     

一种多元非线性度量误差模型的参数估计及算法

本文讨论多元函数关系度量误差模型中参数的一种估计方法及算法的实现．     

删失数据下的非参数分位回归

本文结合分位回归方法与非参数模型,对删失数据下的非参数分位回归模型的估计方法以及算法进行研究,运用质量再分配加权思想(Redistribution-of-Mass)将删失参数模型的估计方法推广到非参数领域,同时,出于充分利用数据信息的考虑,本文综合逆概率加权和质量再分配加权思想,在估计过程中采用这两类权数,提出了一种新的局部综合加权估计.通过蒙特卡洛模拟可知,在固定删失情形下,无论有无异方差存在,质量再分配加权估计有显著的优势;而在随机删失情形下,逆概率与质量再分配综合加权估计效果最好,进而验证了本文提出的估计方法的有效性和合理性.最后本文将各估计方法应用于实际数据中,实证分析的结果进一步展示了所提出估计方法的合理性.     

一类信号转导通路模型参数辨识中最小应测量状态的确定

建立信号转导通路的数学模型是系统生物学的一个重要目标．但是信号转导通路本身的复杂结构及其所表现出的强非线性特征,使得对该类模型的参数辨识十分困难．参数辨识所需要的测量数据的选择对于辨识结果有重要影响．本文研究了一类信号转导通路模型参数辨识中最小应测量状态的计算问题．给出了用于确定该最小应测量状态的目标函数,通过对目标函数进行简单的运算,确定了用来估计未知参数的最小应测量状态的数量,同时给出了一种计算系统状态对应于未知参数的敏感性系统曲线的新方法．以TNFα诱导的NF-κB信号转导通路为例进行了仿真研究,并给出了仿真结果．     

H广义线性模型中的参数估计的比较

本文研究H广义线性模型中未知参数的两种估计方法,一种是边际似然函数法,另一种是Lee和Nelder提出来的L-N法．对于一类具有两个随机效应的典型的Poisson-Gamma类模型,在一些正则性条件之下,我们已经证明了其中固定效应卢的L-N估计的强相合性及渐近正态性,并得到了其收敛于真值的速度．针对这类模型,本文进一步给出了其边际似然函数的解析表达式,并且通过Monte Carlo模拟,对模型中固定效应β的边际似然估计和L—N估计进行了比较,模拟表明L—N估计比边际似然估计在拟Poisson-Gamma模型中有着更加优良的表现,具有更高的精度。     

凋落叶空间扩散模型在常绿阔叶林的适用性分析

利用凋落叶空间扩散模型研究单株植物的凋落叶扩散过程,这对预测凋落叶在地表的分布格局有重要意义.本文依据浙江天童20 hm²动态监测样地植被调查数据和叶凋落量数据,分别对20种目标树种进行凋落叶空间扩散模型的拟合,以及模型适用性分析.模型假设叶凋落量和植株胸径之间服从异速生长关系,并且叶凋落量随距离呈指数降低,通过极大似然法估计模型参数.结果表明： 所有树种实际叶凋落量和理论叶凋落量相关性显著;但树种间的模型预测精度相差较大,各树种理论叶凋落量解释实际叶凋落量变异的百分比为16.0%～74.0%,平均为49.3%.模型预测精度与叶凋落量数据的标准差、树种平均胸径、树种平均叶片干质量呈显著正相关.根据各树种的分布格局,使凋落物筐覆盖到不同胸径母树周围不同距离处,确定各树种的最优扩散函数,以及不断改进已有的扩散函数可以提高模型的预测精度.     

基于标记-重捕模型开展野生动物红外相机种群监测的方法及案例

红外相机技术的广泛应用推动了动物种群生态学研究方法的发展和革新, 特别是基于标记-重捕模型框架通过非损伤取样方式对物种数量和密度等种群参数的可靠估计, 为保护濒危物种和评估保护成效提供了有力的科学依据。对于身体上具有独特天然标记的动物(如多数猫科动物), 可依据红外相机拍摄身体上的独特斑点或条纹鉴别个体, 再运用标记-重捕模型, 估计动物种群数量、密度等参数。本文概述了标记-重捕模型的基本原理、特点以及国内外的应用, 特别是近年来发展出的空间标记-重捕模型。总结了从相机布设到数据分析的具体流程、操作原则, 并以青城山家猫为实例, 展示了应用红外相机数据通过空间标记-重捕模型估计种群密度和数量的基本步骤。最后展望了该模型在种群动态、景观廊道设计、资源选择等方面的应用和发展趋势。     

环境和冠层结构对华北落叶松林树干液流的影响

准确量化环境和冠层结构变化对树干液流的影响,对于深入理解变化环境下的树木水分利用机制具有重要意义。在六盘山香水河小流域于2019年6—9月利用热扩散式探针监测了华北落叶松林的树干液流,同步观测林外气象、林内根系层土壤含水量和冠层结构动态,分析树干液流速率与潜在蒸散(PET)、土壤相对可利用水分(REW)和林冠层叶面积指数(LAI)的关系,并量化各因素对树干液流速率的相对贡献。结果表明: 树干液流速率对PET的响应符合二项式函数,对LAI的响应符合线性增长函数,对REW的响应符合趋于饱和的指数增长函数。将树干液流速率与PET、REW和LAI的单因子响应关系以连乘形式耦合得到多因素影响的树干液流模型,具有较好的模拟精度。基于该模型得到,PET是导致不同天气下树干液流速率差异的主导因素,其平均贡献率在晴天(40.3%)、多云(4.3%)和雨天(-26.3%)下有较大不同;PET和LAI是影响树干液流速率月份变化的主导因素,其在各月贡献率范围分别为-23.1%~16.8%和-12.3%~11.0%。本研究构建的多因素影响的树干液流模型可用于评估和预测树干液流速率,亦可用于量化各主导因素影响,将有潜力成为分析变化环境下树木水分利用的有效工具。     

PerkinElmer公司推出UltraVIEW VoX活细胞显微成像分析系统

近日,PerkinElmer公司在美国召开的第37届神经科学大会上推出新一代活细胞显微成像分析系统—UltraVIEW VoX。该系统应用最新的转盘式扫描技术和细胞图像分析处理软件技术,在统一的软件操作平台上同时完成细胞图像的采集、观察、测量、动态示踪、量化参数列表/趋势模式分析和多通道高品质图像的输出及视频动画电影制作等。它可根据不同实验需求重新组合的,灵活通用、模块化,可极大的节省用户建立系统时间。     

共同均值矩阵参数的线性估计的可容许性

对于一般多元线性模型,本文讨论了共同均值矩阵参数的线性组合函数SXΘ的线性估计在线性估计类中的A－可容许性,E－可容许性,G－可容许性问题,分别得到了它们的充要条件。     

近似贝叶斯法在光合模型参数估计中的应用

长期以来,光合作用机理模型中参数的确定都是一个难点。该文提出一种参数反演的方法,称为近似贝叶斯法(APMC),用来确定Farquhar光合模型的生理参数。通过将整个冠层抽象为一片大叶的思维抽象,笔者进一步将APMC应用到冠层尺度的生理参数求解,使直接求算冠层尺度生理参数成为可能。该文详细介绍了使用APMC估算光合模型参数的具体算法,并用实测数据进行了验证。结果表明,APMC可以很好地应用于冠层光合模型参数的估计,估计所得的参数落在参数生理上下限值之间,应用1 948个实测数据进行检验,得到决定系数0.75。模拟值和实测值的线性回归曲线斜率为1.04,与理论上的1.0非常接近。这个方法对光合模型参数的获取或许有积极的意义。     

Biome-BGC模型参数的敏感性和时间异质性

生态过程模型为研究陆表生态系统水、碳、氮等物质的循环提供了一种有效的手段。模型与数据同化结合可建立模拟与观测之间的桥梁,同时提高模型与观测两种方法揭示地表真实状况的有效性。但模型参数的特性,将直接影响到模型模拟及数据同化的精度。传统观念认为,生态过程模型参数在相同植被类型条件下是固定不变的,但近期研究已开始关注其时空异质性。本文以Biome-BGC模型为例,利用美国哈佛森林Environmental Monitoring Site(EMS)通量观测站的相关数据,对哈佛森林地区水、碳通量进行模拟。首先对模型参数进行敏感性分析;然后应用模拟退火算法,构造目标函数,使待优化的敏感参数在合理阈值范围内不断变动反复迭代,获取逐月的最优参数值;通过引入变异系数,对敏感参数的时间异质性进行分析。结果表明:生态过程模型参数最优值并非常量,而会随时间表现出异质性,而且各参数时间异质性大小差异显著。文中对Biome-BGC模型的敏感参数按时间异质性大小划分了相应的等级。研究结果有助于加深对生态过程模型参数特性的认识,为参数的合理取值及动态优化提供思路与依据,有助于进一步提高模型模拟和数据同化的精度与效率。     

远交群体动态性状基因定位的似然分析Ⅰ.理论方法

受动物遗传育种中用来估计动态性状育种值的随机回归测定日模型思想的启发 ,将关于时间 (测定日期 )的Legendre多项式镶嵌在遗传模型的每个遗传效应中 ,以刻画QTL对动态性状变化过程的作用 ,从而建立起动态性状基因定位的数学模型。利用远交设计群体 ,阐述了动态性状基因定位的似然分析原理 ,推导了定位参数似然估计的EM法两步求解过程。结合动态性状遗传分析的特点和普通数量性状基因定位研究进展 ,还提出了有关动态性状基因定位进一步研究的设想     

植物根系水力再分配模型参数分析与尺度转换

植物根系水力再分配(Hydraulic redistribution)是近几年提出的对植物根系水力提升现象一种更准确的描述。Ryel等(2002)建立的根系水力再分配模型(以下简称Ryel模型)模拟结果表明根系水力再分配是土壤水分动态的一个重要组成部分。该文基于Ryel模型,对模型中涉及的重要参数进行敏感性分析,更准确地阐述参数变化下根系水力再分配模型的行为动态,从而定量分析环境及植物自身等因素对根系水力再分配的影响。Ryel模型时间尺度和土层厚度的设定限制了模型的应用,该文通过参数调整,将模型从时间尺度为小时、土层厚度均一转换到时间尺度为天、土层厚度不等,并应用到内蒙古皇甫川流域。     

R法遗传参数估值置信区间的计算方法和重复估计次数的研究

探讨R法遗传参数估值置信区间的计算方法和重复估计次数(NORE)对参数估值的影响,利用4种模型通过模拟产生数据集。基础群中公、母畜数分别为200和2000头,BLUP育种值选择5个世代。利用多变量乘法迭代(MMI)法,结合先决条件的共扼梯度(PCG)法求解混合模型方程组估计方差组分。用经典方法、Box-Cox变换后的经典方法和自助法计算参数估值的均数、标准误和置信区间。结果表明,重复估计次数较多时,3种方法均可;重复估计次数较少时,建议使用自助法。简单模型下需要较少的重复估计,但对于复杂模型则需要较多的重复估计。随模型中随机效应数的增加,直接遗传力高估。随着PCG和MMI轮次的增大,参数估值表现出低估的趋势。     

温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型

建立了基于温室环境参数、甜瓜生长发育参数和土壤水分参数的温室甜瓜日蒸腾量估算模型,以研究温室条件下甜瓜蒸腾量的估算方法.根据温室内特定环境对Penman-Monteith方程中空气动力项进行修正,推导出了适于计算温室条件下参考作物蒸腾量的温室环境因子子模型;以甜瓜叶面积指数为自变量构建了作物因子子模型,模型形式为线性函数;以土壤相对有效含水量为自变量构建了土壤水分因子子模型,模型形式为对数函数.采用分期播种法,根据周年不同播期实测数据对模型参数进行估计和分析.采用土壤相对含水量分别为80%、70%、60%的实测蒸腾数据,对模型在充分灌溉和节水灌溉条件下的预测精度进行了检验,模拟值的平均相对误差分别为11.5%、16.2%、16.9%.所建蒸腾模型是对Penman-Monteith公式在温室环境和节水灌溉条件下的有益探索,具有重要推广应用价值.     

远交群体动态性状基因定位的似然分析 I．理论方法

受动物遗传育种中用来估计动态性状育种值的随机回归测定日模型思想的启发,将关于时间(测定日期)的Legendre多项式镶嵌在遗传模型的每个遗传效应中,以刻画QTL对动态性状变化过程的作用,从而建立起动态性状基因定位的数学模型。利用远交设计群体,阐述了动态性状基因定位的似然分析原理,推导了定位参数似然估计的EM法两步求解过程。结合动态性状遗传分析的特点和普通数量性状基因定位研究进展,还提出了有关动态性状基因定位进一步研究的设想。