Ensembles, Dynamics, and Cell Types: Revisiting the Statistical Mechanics Perspective on Cellular Regulation
遗传调控网络控制个体发育。50年来，布尔网络一直是这类系统的模型，从随机布尔网络的集合作为基因调控的一般特性的模型，到越来越多的真实细胞子网络的工作动力学模型。同时，对它们的统计力学也进行了深入的研究。在这里，我们概括了他们的原始动机的背景下，目前的理论和实证研究。我们讨论了随机布尔网络的动态吸引子模型细胞类型的合奏。子系综是临界系综。现在有强有力的证据表明，遗传调控网络是动态的关键，进化正在探索关键的子集合。该子系综的一般性质预测了细胞分化的基本特征。特别是，这种网络中吸引子的数量随着DNA含量的0.63次方而增加。作为每个细胞的DNA含量的函数的细胞类型的数量的数据显示0.88的比例关系。因此，该理论正确地预测了细胞类型的数量和每个细胞的DNA含量之间的幂律关系，以及可比较的斜率。我们讨论了这些新的标度值，并展示了布尔网络作为系统生物学基础模型的新研究路线的前景。
2019-02-01 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Evolving Diploid Boolean and Multi-Valued Gene Networks
本文在崎岖适应度景观中进化二倍体 Boolean 与多值基因网络，发现二倍体保留单倍体网络的一般性质，并展现真核有性生殖的景观平滑及规模自适应特性。
2023-11-19 q-bio.MN
Dynamical Instability in Boolean Networks as a Percolation Problem
布尔网络，广泛用于模拟基因调控，表现出一个相变之间的制度，其中小扰动要么消亡或指数增长。我们显示和数值验证，这相变的动力学可以映射到一个静态的渗流问题，预测扰动和未扰动轨道之间的长时间平均汉明距离。
2012-07-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Continuous surrogates versus threshold Boolean networks for modeling Arabidopsis ISR gene regulation
Millennium Nucleus for Social Data Science (SODAS)（社会数据科学千年核（SODAS））；Millennium Nucleus in Data Science for Plant Resilience (PhytoLearning)（植物抗逆性数据科学千年核（PhytoLearning））
该研究在拟南芥ISR数据集上比较连续代理模型（RF、MLP）和离散机制模型（TBN），用滚动原点一步预测等方法评估。结果显示局部数值准确性和全局定性动态保真度不一定一致，二者应作为模拟生物调控的互补工具。
2026-07-28 cs.LG cs.NE q-bio.MN
Higher Order Boolean networks as models of cell state dynamics
细胞状态的调节是一个复杂的过程，涉及几个组件。这些复杂的动力学可以使用布尔网络建模，使我们能够解释不同细胞状态的存在以及它们之间的过渡。布尔模型已经被引入作为具体的例子和作为集合或分布网络模型。然而，目前的集成布尔网络模型没有对不同的细胞成分如表观遗传因子、基因和转录因子进行系统的区分。因此，我们仍然不了解它们在控制细胞命运中的相对作用。在这项工作中，我们介绍和研究高阶布尔网络，其特点是明确区分不同的细胞成分和它们之间的相互作用的类型。我们表明，细胞状态动力学的稳定性可以确定解决矩阵的特征值问题，代表监管的相互作用和他们的实力。对这个问题的定性分析表明，除了稳定和混沌状态的分类，细胞状态可以是简单的或复杂的，这取决于它是否可以从其组件的独立研究或没有推导出来。最后，我们说明了如何考虑更高层次和更高阶的动态模型可以扩展。
2010-01-27 q-bio.MN
Mathematical approaches to differentiation and gene regulation
我们考虑一些数学问题提出的基因网络的建模。基因的表达是由一套复杂的规则，这往往是象征性的相互作用图描述。一旦建立了这样一个图，在缺乏关于基因网络调控的精确定量数据的情况下，仍然存在一项艰巨的任务，即决定可以从中推断出基因网络的哪些动力学特性。本文讨论了R.Thomas提出的一个规则，根据这个规则，网络具有多个定态的可能性意味着在相应的相互作用图中存在正回路。我们证明，当适当制定严格的条款，这条规则成为一个定理有效的几种不同类型的正式模型的基因网络。这个结果对于微分或布尔类型的模型已经是已知的。我们在这里表明，一个更强的版本，它持有的差分设置时，考虑到蛋白质浓度的衰减。这使我们能够在分段线性模型和相应的离散模型的背景下验证托马斯规则的有效性。我们也讨论开放的问题。
2005-10-14 q-bio.MN
Boolean networks with veto functions
布尔网络是离散动力学系统，用于模拟活细胞中的调节和信号传导。我们研究了一类特殊的布尔函数，其抑制输入对输出施加否决（强制零）。我们给出了这些功能的灵敏度的解析表达式，并为它们在自然系统中的作用提供了证据。在细胞内信号转导网络中[Helikar等人，PNAS（2008）]中，具有否决权的函数被超过同一系统中的阈值函数和canalysis函数的过度表示的因子过度表示。在用于控制酵母细胞周期的布尔网络中[Fangting Li等人，PNAS（2004），Davidich等人，PLoS One（2009）]，不需要对接线图进行任何或最小的修改，就可以根据这里介绍的否决权功能来制定它们的动态。
2014-08-27 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
CANA: A python package for quantifying control and canalization in Boolean Networks
School of Informatics, Computing, and Engineering Indiana University（印第安纳大学信息学、计算与工程学院）；CAPES Foundation, Ministry of Education of Brazil（巴西教育部CAPAS基金会）；Center for Complex Networks Research, Northeastern University（东北大学复杂网络研究中心）
本文介绍CANA包，用于量化布尔网络中的控制与通道化，通过提取和可视化通道化冗余，简化模型分析。
2018-05-09 cs.CE cs.DM cs.OH
Boolean modeling of collective effects in complex networks
复杂系统通常被建模为布尔网络，试图捕捉它们的逻辑结构并揭示其动态后果。然而，通过离散值和布尔逻辑门来近似连续变量的动态可能会引入原始系统无法访问的动态可能性。我们表明，通过连续传递函数耦合的变量的大型随机网络往往无法表现出相应的布尔模型在无序（混沌）制度的复杂动态，即使每个单独的功能似乎是一个很好的候选人布尔理想化。一个适当修改的布尔理论解释了系统的行为，其中信息不能忠实地传播到某些节点链。模型网络将计算或直接测量的传递函数在文献中报道的基因转录调控的修改后的理论。
2009-05-11 cond-mat.dis-nn q-bio.MN q-bio.OT
Boolean Threshold Networks: Virtues and Limitations for Biological Modeling
布尔阈值网络最近被提出作为有用的工具来模拟遗传调控网络的动力学，并已成功地应用于描述细胞周期的\textit{S. cerevisiae}和\textit{S. pombe}。阈值网络假设基因调控过程是加性的。然而，这与S.其中每个逻辑函数都必须仔细构造，以准确地考虑基因调控的组合性质。虽然考夫曼布尔网络已被广泛研究，并证明具有必要的属性所需的遗传调控网络的基本特征建模，不太了解阈值网络的基本属性。在这里，我们研究了这些网络的动力学性质与不同的连通性，激活-阻遏比例，激活-阻遏强度和不同的阈值。特别注意的方式，其中阈值影响的动力学制度中的网络运作和吸引景观的结构。我们发现，只有一组非常有限的参数，这些网络显示出与在生物系统中观察到的动力学特性一致。这些属性的优点和可能的问题与限制进行了讨论，并与早期的工作，使用这些模型。
2010-11-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech nlin.CD
Modular control of Boolean network models
本研究针对中等规模生物布尔网络全局控制输入计算难度大的问题，利用布尔网络的模块化结构与调控机制的渠化特征，提出高效的模块化控制方法，并在T-LGL白血病网络模型中验证了其识别最小控制集的有效性。
2024-11-04 q-bio.MN
Impact of individual nodes in Boolean network dynamics
布尔网络是生物细胞中调控和信号传导的离散模型。识别这些过程的关键控制器对于理解动态系统和规划进一步的分析是重要的。在这里，我们量化的动态影响的节点切换节点的状态后，损害蔓延的概率。我们发现，在长期传播的情况下，邻接矩阵的前导特征向量是一个很好的预测动态影响。这个所谓的特征向量中心性也是一个很好的代理措施的影响，一个节点的初始状态对吸引子的系统最终到达。当特征向量中心性基于活动的加权矩阵而不是未加权的邻接矩阵时，预测质量进一步提高。模拟进行合奏的随机布尔网络和信号在成纤维细胞的布尔模型。研究结果支持的分析参数从线性近似的损害蔓延。
2012-09-13 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
The large-scale logico-chemical structure of a transcriptional regulation network
身份，对外部刺激的反应，以及生命系统的空间结构是分子生物学的中心议题。目前，它们在很大程度上被视为基因库和细胞调节机制之间相互作用的结果。在转录水平上，顺式调控区在转录因子和基因（包括其他转录因子）之间建立了一系列相互依赖性。这些“转录网络”太大，无法用详细的动力学模型进行全局处理。在本文中，我们描述了一种方法来解决这个问题，只专注于基因表达模式和信号整合功能之间的兼容性，讨论进行最简单的计算，布尔，实现的模型，并首次应用到实验数据集。
2005-02-15 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
The Structure and Dynamics of Gene Regulation Networks
典型的生物系统的结构和动力学是复杂的，这是由于其组成部分之间的强烈和不均匀的相互作用。用经典的数学工具，如动力学微分方程来研究这类系统并不总是合适的。在这种情况下，图论模型可以作为一个粗糙但强大的工具。在这篇论文中，我首先考虑生物系统的网络建模。拓扑和动态调查工具的开发和应用到各种模型网络。特别地，对于模型网络，探索了吸引子特征随系统大小和分布的缩放。此外，理论上的鲁棒性表达式进行了讨论和计算研究进行了验证。本论文的主要研究内容是利用同步确定性更新的布尔网络模型来研究基因表达的转录调控。我探索的吸引子结构和鲁棒性的已知的相互作用网络的酵母，酿酒酵母和比较模型网络。此外，我讨论了最近的一个模型，声称一个可能的根源的拓扑结构的酵母的基因调控网络和动态调查这个模型。论文还包括另一项研究，研究了折叠动力学与一种新的网络表示法之间的关系，即蛋白质天然结构的不相容性网络。我证明了这些网络的传统拓扑方面与phi值在统计上不相关，因为可用的数据有限。
2008-02-14 q-bio.MN
Identification of control targets in Boolean molecular network models via computational algebra
动机：生物医学和生命科学的其他领域中的许多问题可以被表征为控制问题，其目标是找到通过干预（例如药物或其他治疗性处理）将生物系统的疾病或其他不期望的状态改变为另一种更期望的状态的策略。这种策略的识别通常基于要通过目标控制输入改变的过程的数学模型。这篇论文集中在分子水平上的过程，决定了单个细胞的状态，包括信号或基因调控。所考虑的数学模型类型是布尔网络。潜在的控制目标可以由一组节点和边来表示，这些节点和边可以被操纵以在系统上产生期望的效果。在实验上，节点操作需要完全抑制或完全激活特定基因产物的技术，而边缘操作仅需要使两个基因产物之间的相互作用失活的药物。结果如下：本文提出了一种利用代数技术在布尔分子网络模型中识别潜在干预目标的方法。该方法利用布尔网络的代数表示将网络布线图中的控制候选编码为多项式方程组的解，然后使用计算代数技术来找到这样的控制器。本文中的控制方法进行了验证，通过识别组合干预的信号通路先前报道的控制目标在两个充分研究的系统，一个p53-mdm 2网络和血液T细胞淋巴细胞颗粒白血病生存信号网络。
2016-10-03 q-bio.MN
Correcting hidden sampling biases in null models of canalizing Boolean networks
Iowa State University（爱荷华州立大学）
针对布尔函数参数均匀采样导致函数分布非均匀的偏差，提出结合动态规划和拒绝采样的均匀采样算法，并证明该偏差显著影响网络鲁棒性、稳定性等结论。
2026-08-11 math.CO q-bio.MN
BoolForge: Controlled Generation and Analysis of Boolean Functions and Networks
Iowa State University（爱荷华州立大学）
BoolForge是一种Python工具包，用于随机生成和分析布尔函数和网络，重点在于canalization属性，支持生成具有指定canalizing深度和结构的布尔函数，构建具有可调拓扑和功能特性的布尔网络，并分析结构和动态特征。
2026-03-25 math.DS nlin.CG q-bio.MN
Canalization reduces the nonlinearity of regulation in biological networks
研究生物网络进化设计原则的因果关系，发现网络可逼近性依赖于动态稳健性，增加的 canalization 几乎能完全解释生物网络的高可逼近性。
2024-02-15 math.DS q-bio.MN
Complexity of fixed point counting problems in Boolean Networks
具有$n$分量的布尔网络（BN）是由函数$f:\{0,1\}^n \to \{0,1\}^n$的连续迭代描述的离散动力系统。这个模型在生物学中得到了应用，其中固定点起着核心作用。例如，在遗传调节中，它们对应于细胞表型。在这种情况下，实验揭示了组件之间存在积极或消极的影响：组件$i$具有积极的（分别为）。负面）影响，这意味着$j$倾向于模仿（或否定）$i$。影响的有向图被称为有符号交互有向图（SID），并且一个SID可以对应于大量BN（根据$n$，其平均为双指数）。目前的工作开辟了一个新的视角上的良好建立的研究不动点的BN。当生物学家发现他们不知道的BN的SID时，他们可能会问：给定SID，它是否可以对应于具有至少/最多$k$固定点的BN？根据输入，我们证明，这些问题是在$\textrm{P}$或$\textrm{NP}$，$\textrm{NP}^{\textrm{NP}}$，$\textrm{NP}^{\textrm{#P}}$或$\textrm{NEXPTIME}$完成。特别地，我们证明了它是$\textrm{NP}$ -完备的（分别是. $\textrm{NEXPTIME}$ -完成）以决定给定SID是否可对应于具有至少两个固定点（分别为无不动点）。
2022-02-09 cs.CC cs.DM math.CO
Stability and Structural Properties of Gene Regulation Networks with Coregulation Rules
在细菌和真核生物系统中，基因组表达的共调节已经被广泛地经验性地证明。这种共调节可以通过使用共享的调节基序来产生，其允许跨基因组的功能相关基因的模块（和模块组）的协调表达。协同调节也可以通过多基因复合体通过染色体成环的物理关联产生，然后一起转录。我们提出了一个一般的形式主义的随机布尔网络（RBN）的框架内的协同调节规则建模，并开发特定的模型与模块化结构的转录因子网络（包括模块组，和多输入模块（MIM）与自动调节）和多基因复合体（包括多基因复合体成员之间的层次分化）。我们开发了一个平均场的方法来分析大型网络的稳定性，将协同调节，并表明自动调节MIM和层次基因复合体模型可以实现更大的稳定性比网络没有协同调节的规则匹配激活频率。我们通过仿真进一步分析了这两种小网络的稳定性。我们还描述了几个一般性质的瞬态和吸引子的层次协同调节模型，并显示使用模拟的稳态分布分解层次作为贝叶斯网络的马尔可夫跳跃过程模拟的RBN模型。
2016-04-10 q-bio.MN q-bio.QM stat.ML
Numerical Reliability of Logistic Gene Regulatory Network Models: Preventing Expression Shutdown and Robust Integration of Boolean-Derived ODE Systems
organization= Independent Researcher , addressline= Mezaourou , city= Ghazaouet , postcode= 13421 , state= Tlemcen , country= Algeria
本研究证明Hill函数作为基因调控网络ODE模型中的调控核函数普遍不可靠，会导致表达关闭和复数污染；而逻辑函数作为替代，具有严格正的基础速率和全局Lipschitz性质，能提供鲁棒的数值积分和先验误差界。
2026-06-18 math.DS q-bio.MN
Emergence of robustness against noise: A structural phase transition in evolved models of gene regulatory networks
我们研究布尔网络的进化受到选择性的压力，有利于对噪声的鲁棒性，作为一个模型的进化遗传调控系统。通过映射到一个统计合奏和最小化其相关的自由能的进化过程中，我们发现的结构特性出现的选择性压力的增加，并确定一个相变从一个随机的拓扑结构到一个“隔离的核心”的结构，其中一个更小，更密集连接的节点的子集是负责网络中的大部分监管。这种分离的结构在性质上与基因调控网络非常相似，在基因调控网络中，只有一个小得多的基因子集--那些负责转录因子的基因--负责全局调控。我们得到的选择压力和每个节点的平均输入数的函数的演化过程的完整的相图。我们比较的理论预测与蒙特卡罗模拟的进化网络和经验数据的酿酒酵母和大肠杆菌。
2012-04-10 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Prediction of lethal and synthetically lethal knock-outs in regulatory networks
参与细胞功能调节的复杂相互作用通过其相互作用图来捕获。通常情况下，缺乏关于增强或抑制调节影响和协同效应的详细知识，仅知道定向相互作用的存在或不存在。在这里，我们调查在何种程度上减少的信息允许预测的效果敲除或敲除的组合。具体来说，我们问在多大程度上消除节点的致命性可以预测他们的网络中心性，如度和介数，而不知道系统的功能。该函数被视为在离散布尔动力学下再现不动点的能力。我们研究两种类型的随机生成的网络：完全随机的网络和结构的节点复制和随后的相互作用的分歧的机制。在所有的网络中，我们发现，出度是一个很好的预测单节点敲除的致命性。对于节点对的敲除，两个敲除节点之间共享的后继者的分数（外重叠）是合成致死率的良好预测因子。出度和出重叠是局部定义的并且计算简单的中心性度量，其提供接近最优预测器的预测能力。
2013-02-14 q-bio.MN
On Networks and their Applications: Stability of Gene Regulatory Networks and Gene Function Prediction using Autoencoders
该研究证明嵌套canalizing函数是最低灵敏度布尔函数，为基因调控系统处于混沌边缘提供定量依据，同时提出半监督自编码器的功能特异性基因发现工具，还发现生物可信学习算法的动力学具有通用爱因斯坦关系。
2024-08-13 physics.bio-ph q-bio.MN
