We propose a boundary element method for the accurate solution of the cell-by-cell bidomain model of electrophysiology. The cell-by-cell model, also called Extracellular-Membrane-Intracellular (EMI) model, is a system of reaction-diffusion equations describing the evolution of the electric potential within each domain: intra- and extra-cellular space and the cellular membrane. The system is parabolic but degenerate because the time derivative is only in the membrane domain. In this work, we adopt a boundary-integral formulation for removing the degeneracy in the system and recast it to a parabolic equation on the membrane. The formulation is also numerically advantageous since the number of degrees of freedom is sensibly reduced compared to the original model. Specifically, we prove that the boundary-element discretization of the EMI model is equivalent to a system of ordinary differential equations, and we consider a time discretization based on the multirate explicit stabilized Runge-Kutta method. We numerically show that our scheme convergences exponentially in space for the single-cell case. We finally provide several numerical experiments of biological interest.


翻译:我们提出一种边界元方法,用于精确求解电生理学中的逐细胞双域模型。逐细胞模型(也称为胞外-膜-胞内模型)是一个反应-扩散方程组,描述每个域(细胞内空间、细胞外空间及细胞膜)中电势的演化。该方程组属于抛物型但具有退化性,因为时间导数仅存在于膜域中。在本工作中,我们采用边界积分公式来消除系统的退化性,并将其重新表述为膜上的抛物型方程。该公式在数值计算上也具有优势,因为与原模型相比,自由度数量显著减少。具体而言,我们证明EMI模型的边界元离散等价于一个常微分方程组,并采用基于多率显式稳定龙格-库塔方法的时间离散方案。数值实验表明,我们的方法在单细胞情形下具有空间指数收敛性。最后,我们提供若干具有生物学意义的数值实验结果。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
15+阅读 · 2020年12月17日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 6月17日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员