中文摘要：

细胞体系具有结构分布、尺寸大小等复杂的拓扑多样性，其内外环境中又不可避免地存在内外噪声、拓扑无序等随机因素，当处于非平衡状态时，体系对外界刺激作用较为敏感，易于观察到拓扑多样性对其动力学行为和功能的影响。本项目选用心脏窦房结细胞模型为对象，考虑环境扰动引起的结构多样性等特点，结合实验提供的最新在体数据，利用非平衡态统计理论，将体系满足的微分方程改造为适合于人体心脏的随机动力学模型，编写相应的程序模块进行仿真模拟。探讨结构多样性在该体系中所产生的诸如:老年性心率变慢和瘁死等异常搏动的内在规律及作用机理，找出普适的统计规律。其结果不仅有助于从理论上深入研究拓扑特性对复杂体系动力学行为和功能的影响，为心脏异常搏动进行预防和临床诊断提供一定的佐证，也可为总结复杂体系理论模拟的有效手段和方法，完善非平衡态统计理论提供一定的理论依据。

结论摘要：

背景与方向 近年来, 医学临床研究表明心脏病是人类健康的主要杀手。探索老年人群心律失常的致病机理，有效预防、控制和减轻心脏疾病的危害，提高老年人群的健康水平，一直是医学、系统生物学乃至生物物理科研工作者共同关注的焦点。因此，本项目基于兔子等窦房结(SAN)细胞模型,构建反映体系内外环境扰动的随机动力学模型，研究拓扑多样性对SAN组织搏动过程的影响及调控机理。 主要内容 1) 利用最新实验数据，构建和修正适合老龄人群心脏SAN体系的耦合模型。利用曼彻斯特大学生物物理中心提供的兔子和老鼠心脏SAN等实验数据，构建适用于人类心脏SAN体系的耦合模型。借助于编程语言, 构建出因老龄化的作用，引起SAN组织体系空间拓扑结构变化，从而影响SAN细胞起搏活动的理论模型。 2) 构建在体SAN模型，考察其对SAN异常搏动的调控效果。考察、对比不同环境随机因素，对SAN细胞中几个关键膜电流INa、IKACh、ICaL等的影响，寻找对SAN振动复苏的最佳调控效果，以及实现心脏复苏的最佳扰动参数与有效的控制方法。 重要结果与关键数据 按照项目的年度研究计划，已顺利完成了预定的研究任务，取得如下结果 (1) 发现心肌组织死亡细胞不同分布对窦房结搏动传导功能有重要影响； (2) 发现耦合HR神经元体系中的尺度效应以及拓扑结构的调控作用； (3) 发现异常血钾、酸碱浓度、环境噪声、环境温度、外界刺激等随机因素对SAN起搏活动的调控作用； (4) 心肌细胞钠离子通道病变引起窦房结起搏活动的异常振动以及调节作用。 在本项目的支持下，项目组成员共参加国际学术会议2人次，国内会议8人次；在国内外重要期刊上发表22篇学术论文，其中SCI收录7(1接受)篇，核心及一般期刊15篇。参加国内外学术会议论文5篇；培养硕士研究生8名。 科学意义 本项目选取心脏窦房结这种生物细胞体系作为研究对象，考察了拓扑结构对窦房结体系动力学行为的调控作用,得出许多有意义的成果，发现心脏的许多疾病与窦房结的异常动力学行为密切相关，而外界环境扰动则有重要的调控作用。项目的成果将有助于揭示心律异常形成的内在机制，为进一步进行窦房结心律异常的实验研究和临床诊断提供一定的科学依据，同时也将促进理论物理与化学和生命等学科的相互交叉研究，都有一定的指导意义。