آیا ریاضیات می‌تواند سلول‌های دیجیتالی را طوری تعریف کند که رفتارهای سیستم‌های بیولوژیکی را تقلید کنند؟ ظاهرا سلول‌های دیجیتالی می‌توانند بعضی از ویژگی‌های رفتاری را تقلید کنند و مطالعات برای سایر ویژگی‌ها نیز به شدت در حال انجام است. ما تقریبا می‌توانیم این دانش را برای مرتبط کردن قدرت پیشبینی این مدل‌های سلولی دیجیتال با روش‌هایی که به طور معمول در اعمال عمومی بالینی استفاده می‌شود، به کار ببریم.
وقتی ما از چیزهای بیولوژیکیِ دیجیتال حرف می‌زنیم معمولا منظورمان یک مدل ریاضی یا کامپیوتری از چیزهای واقعی است. پس در حقیقت در این جا لغت “دیجیتال” را باید به عنوان صفت در نظر بگیریم. دیجیتالی سازی سلول‌های بیولوژیکیِ ارگانیسم‌ها و بیماران دیجیتال، الگو اصلی پزشکی و زیست شناسی تئوری است. این یک ابزار حیاتی برای پیش بینی رفتار سیستم‌های بیولوژیکی در ابعاد مختلف از نانومتر گرفته تا کل ارگانیسم است. محققان در سمینار “پیش بینی رفتار سلولی توسط ریاضیات و کامپیوتر” که بیش از یک دهه است که در دپارتمان ریاضیات کاربردی (KAM) در دانشگاه Charles واقع در پراگ برگزار شده است؛ بر روی پروژه سلول دیجیتال کار می‌کنند. دو جریان اصلی تحقیقی وجود دارد. در ابتدا ما مدل‌های ریاضی از یک سلول دیجیتال کلی که می‌تواند جنبه‌های خاص مهمی از سلول‌های بیولوژیکی یوکاریوتی را تقلید کند، می‌سازیم. در گام بعدی ما این مدل‌ها را طی استفاده از برنامه‌هایی که به خوبی تعاملات رفتاری را شبیه سازی می‌کنند به نام آزمایشگاه‌های مجازی، مطالعه می‌کنیم.
از نقطه نظر ریاضی، ما می‌توانیم از مدل‌های چند مقیاسیِ ترکیبی پیوسته و گسسته استفاده کنیم که قانون این مدل‌ها با تفاوتی جزئی در سطح سلسله مراتب ریزی (شاخص‌های فضایی کوچک و فاصله‌های زمانی کوتاه) از معادلات قانون مدل‌های reaction-diffusion و در سطح بزرگ‌تری از مدل‌های گسسته agent-based با قوانین کلی (بعضی از آن‌ها متکی به قوانین کنترل متابولیک‌اند) پیروی می‌کند. هدف فعلی تحقیق ما ساخت مدل‌های کیفی و فهم ویژگی‌های ترکیبیشان است.
یک آزمایشگاه مجازی یک برنامه شبیه سازی مخصوص است که ویژگی‌هایی را که در ادامه گفته می‌شود باید داشته باشد. این آزمایشگاه‌ها به عنوان چیزی برای پیاده سازی مدل ریاضی طراحی شده‌اند و رفتار آن‌ها محدود به تایید قوانین مدل است. عمل موجودهای مدل می‌تواند با تغییر پارامترهای مربوط به محیط و یا قوانین برهم کنش‌های خود موجودها اصلاح شود. اگرچه رفتار واقعی یک سری قانون و یا جزو تشکیل‌دهنده اساس را ندارد اما پارامتربندی به یافتن قابلیت اطمینان بیولوژیکی کمک می‌کند. به علاوه تغییرات پارامتری افزایشی این امکان را محققان می‌دهد که شرایط پایدار یا غیرپایدار مهم را شناسایی کنند. برای اثبات در شبیه سازی عنوان می‌شود که آزمایش‌های مجازی همیشه در شرایط یکسان با نتایج مشابه قابل تکرار هستند. تصویرسازی از نتایج آزمایشگاه مجازی نیز طبعا لازم است.
علاوه بر این، مفهوم آزمایشگاه مجازی، راهی طبیعی برای توضیح یک آزمایش غیرعملی در یک ارتباط بین فردی است. استفاده از یک عدد از آزمایشات آماده این امکان را می‌دهد که یک فهم بهتر از مدل‌های سلول دیجیتالمان داشته باشیم و شناسایی کلی مشکلات و گرایش رفتاری مدل را تسهیل می‌کند. براساس تجربه ما، استفاده از شکل تصویریِ اطلاعات برای ارتباطات بین رشته‌ای حیاتی است.
طراحی این آزمایش مجازی توسط ما به آزمایش کننده این امکان را می‌دهد که پارامترهای مدل را که به طور مناسب تصویرسازی می‌شوند به سادگی تغییر دهد. همچنین از این آزمایشگاه می‌توان به عنوان یک وسیله آموزشی استفاده کرد. چه به تنهایی چه تحت نظارت، کاربرها می‌توانند پارامترهای یک آزمایش را اصلاح کنند و رفتار شبیه سازی شده‌ی مربوط به آن تغییرات را دنبال کنند.
ما مدلی بر اساس لیگاند از دینامیک‌های رشدِ شبکه عصبی، دینامیک‌های سلول ایمنی (برای مثال واکنش آلرژیک یا واکنش به گروه خونی متفاوت) و تشکیلِ مورفوژنیک اشکال پیاده سازی کردیم. ما نتایج این شبیه سازی‌ها را با آزمایش‌های بیولوژیکی مقایسه کردیم و به نظر می‌رسد که ویژگی‌های کیفی خاصی از آزمایش‌های بیولوژیکی می‌تواند به طور موفقیت‌آمیز شبیه سازی شود.
موضوعات متعددی در آینده کاری ما مد نظر قرار خواهند گرفت. در وهله اول، مدولاسیون سیستم آزمایشگاه مجازی ما بهبود پیدا خواهد کرد. در وهله دوم، ما آزمایشات مجازی بزرگ‌تری به منظور شبیه سازی بعضی ارگانیسم‌های دیجیتال و بنابراین کاوش ویژگی‌های ترکیبی اجرا خواهیم کرد. و در نهایت، ما آزمایشات مجازی کمی بیشتری اجرا خواهیم کرد و سپس آن را به اعمال عمومی بالینی نزدیک‌تر خواهیم کرد.
