定量生理学（Quantitative Physiology） 9787568066785

ForewordPhysiology is one of the oldest sciences, may be after astronomy the second oldest one. All old high civilisations made substantial contributions to its development. The ancient Egyptians documented about 1700 bc in the so-called surgical papyrus that human brain contains both tissue and fluid. The Chinese identified special pathways in the body, called meridians, and used them for acupuncture since about 2000 bc. Later, the Greek Hippocrates (ca. 460–370 bc)described hydrocephalus as the result of a pathological accumulation of water-like fluid inside the head. It took then more than 1000 years till further developments in Europe set in, to emphasise here Leonardo da Vinci and Andreas Vesalius in the fifteenth and sixteenth century,respectively.However, it needed further effort to come to a quantitative description of physiology, as firstly done by William Harvey (1578–1657) and Hermann von Helmholtz (1821–1894) for making already rather precise measurements of basic processes as blood flow and nerve dynamics. But, Quantitative Physiology needed more than measurements to become a science, namely mathematical modelling to describe the underlying mechanisms. A milestone was the first theory of nerve and muscle action potential expressed in biophysical models by the often forgotten German physiologist Julius Bernstein in 1912, which was 40 years later somewhat extended by the British Alan L. Hodgkin and Andrew F. Huxley in 1952. Since then, almost arevolution in developing high-precision measurements and mathematical modelling has started and is going on. In this textbook, the two very active researchers in Quantitative Physiology, Shangbin Chen and Alexey Zaikin, very successfully and originally bring some order in this “zoo of modelsand their treatment” to become understandable for newcomers in the field.They start in the first part by presenting the challenges and basic methodology of modelling, including available resources and software. Then, in the second part, they describe modelling of important physiological subsystems as genetic and metabolic networks, calcium signalling,neural activity, blood dynamics, and bone mechanics. In the third part,special and very successful applications to rather complex physiological processes, such as cellular decisionmaking, cortical spreading depression, heart physiome, kidney regulation, heart physiome,mind, and consciousness, are discussed. The general approach is illustrated by paradigmatic examples; in particular to emphasise are the questions formulated at the end of each chapter, which should excite the reader for further thinking about related problems and guiding to further reading.This very well-written textbook by Shangbin Chen and Alexey Zaikin is a systematicpresentation of the strongly evolving field of Quantitative Physiology. It provides the basicprinciples of this difficult kind of modelling as well as the treatment of the corresponding equations. This book is the outcome of a joint lecture given to students of biomedical engineering at the undergraduate elite School of Engineering Sciences, Huazhong University of Science and Technology. It is a very useful introduction for starters in the field, but it alsoprovides important information and suggestions for researchers in physiology and complex systems science as well as for a broad range of specialists in bioengineering, biology, computer science, and others.Wuhan, China Jürgen KurthsBerlin and Potsdam, GermanyNovember 2019PrefaceStephen Hawking says that the next twenty-first century will be the century of complexity, andindeed now Systems Biology or Medicine means dealing with complexity. Both genome andphysiome have been emerged in studying complex physiological systems. Computational andmathematical modelling has been regarded as an efficient tool to boost understanding aboutthe living systems in normal or pathophysiological states.Quantitative Physiology, defined as the quantitative description, modelling, and computationalstudy of physiology, is an interdisciplinary field of systems biology. Many universitieshave founded the course on Quantitative Physiology.However, there has not been a textbook onthis topic. The need has become the first driving force for us to publish this book. The book ismainly based on lectures Quantitative Physiology and Biomathematics given at the HuazhongUniversity of Science and Technology (HUST) and at the University College London (UCL).The book is divided into three major parts: AppliedMethodology,Basic Case Studies andComplex Applications. This is ABC of Quantitative Physiology. The aim of this book is realproblem solving on complex applications, but we need to lead the students to learn appliedmethods and basic cases. The applied methodology part encompasses brief introduction toQuantitative Physiology, systems and modelling, basic modelling, and modelling resources.The basic case studies consist of several important topics, such as gene expression modelling,metabolic network, calcium signalling, modelling neural activity, blood dynamics, and boneand body mechanics. The part of complex applications comprises three chapters on constructiveeffects of noise, dynamics in gene regulatory networks, and modelling complex phenomena inphysiology.Physiology includes a wide range of topics and problems. This textbook can only cover asmall part of contents. We recommend “3M rule” to the students: learn modelling from opencourses, refer to applicable models from repository, and learn from modellers of some researchgroups. Never underestimate the students’ potential as an active learner. They can learn a lotby themselves.No doubt, we will introduce Systems Approach in Quantitative Physiology: treat thephysiological system as a whole and apply the fundamental laws of physics, mathematics,and information technique. On the other hand, we suppose that how to think about problemsis the most important thinking. Thus, we raise Critical Thinking as an educational ideal forQuantitative Physiology. Robert Ennis defined Critical Thinking as reflective and reasonablethinking that is focused on deciding what to believe or do.We and the students should not onlylearn the knowledge of Quantitative Physiology, but also develop the skills of modelling andthe spirits of Critical Thinking.We hope the students (and the readers) can think critically whenit is appropriate to do so, and do so well. This textbook should be a model to train students’Critical Thinking on problem solving. We hope to motivate students for success in modelling.In this book, theory and practice are combined. MATLAB？ is extensively used for demonstrationand training. To benefit from this book, the readers are expected to have a backgroundin general physiology and college mathematics. In addition to serving as a textbook, this bookcan also be used as a reference for those who are interested in systems approach on physiology.Wuhan, China Shangbin ChenLondon, UK Alexey ZaikinSeptember 2019

Stephen Hawking says that the next 21st century will be the century of complexity and indeed now Systems Biology or Medicine means dealing with complexity. Both genome and physiome have been emerged in studying complex physiological systems. Computational and mathematical modelling has been regarded as an efficient tool to boost understanding about the living systems in normal or pathophysiological states. This textbook introduces the students and researchers to the modelling and computational study of physiology (i.e. quantitative physiology), which is an increasingly important branch of systems biology. The topics cover basic methodology, case practices and advanced applications. This book aims to build multiscale model for investigating the function in living systems, or, how organisms, organ systems, organs, cells, and biomolecules carry out the chemical or physical functions that exist in a living system. Some of the models related on gene expression, calcium signalling, neural activity, blood dynamics and bone mechanics have been addressed. This book is devoted to set a paradigm for quantitative physiology by integrating biology, mathematics, physics and informatics etc.

陈尚宾博士，武汉光电国家研究中心副教授，博士生导师。2001年于湖北师范学院获物理学学士学位，2006年于华中科技大学获生物医学工程博士学位。2006年8月至今在华中科技大学工作；其间2008年2-5月在英国Bradford大学做访问学者，2010-2012在加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）做博士后研究两年。其研究工作涉及神经光学成像、神经系统建模、定量生理学，已主持完成国家自然科学基金两项。已在Journal of Neuroscience，Biophysical Journal，Frontiers in Neuroscience等期刊发表*作者（含通讯）论文十余篇。2007年荣获湖北省自然科学奖一等奖（排名5）。合作者Alexey Zaikin教授是世界*高校伦敦大学学院（UCL）系统医学和应用数学讲席教授，研究兴趣包括系统生物学、理论生物物理学、生物非线性动力学和随机性建模等。Zaikin教授已发表学术论文逾百篇，包含Physical Review Letters多篇，谷歌学术统计h指数29。Zaikin教授自2016年以来短期受聘于华中科技大学工程科学学院，参与《定量生理学》课程教学。

欧洲科学院院士Jurgen Kurths评价很高。他的评价摘要为：In this textbook, the two very active researchers in Quantitative Physiology,Shangbin Chen and Alexey Zaikin very successfully and originally bring some order in this “zoo of models and their treatment” to become understandable for newcomers in the field.This very well written textbook by Shangbin Chen and Alexey Zaikin is a systematic presentation of the strongly evolving field of Quantitative Physiology. It provides the basic principles of this difficult kind of modelling as well as the treatment of the corresponding equations. This book is theoutcome of a joint lecture both gave to students of biomedical engineering at the undergraduate elite School of Engineering Science, Huazhong University of Science and Technology. It is a very useful introduction for starters in the field but it provides also important information and suggestions for researchers in physiology and complex systems science as well as for a broad range of specialists in bioengineering, biology, computer science and others.

Part I Applied Methodol