计算机免疫学ppt课件.ppt
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1、篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统计算机免疫学 哈尔滨理工大学 姚 亮 2007.6.13Good Evening篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统主要内容主要内容n n概述n n生物学免疫系统机理n n计算机免疫学基本原理n n计算机免疫学的应用n n结束与展望第 1 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n计算机免疫学产生的背景 自古以来,人们就对生物界有着浓厚的兴趣。
2、生物成为自古以来,人们就对生物界有着浓厚的兴趣。生物成为许多发明家创新的灵感源泉,他们从生物现象中得到启示,许多发明家创新的灵感源泉,他们从生物现象中得到启示,制造出了从机翼到防弹衣等许多产品,从制造出了从机翼到防弹衣等许多产品,从2020世纪中叶开始,世纪中叶开始,人们就已经开始注意对生物系统尤其是人类自身功能及结人们就已经开始注意对生物系统尤其是人类自身功能及结构的模仿,由此产生了许多研究领域。例如,人工神经网构的模仿,由此产生了许多研究领域。例如,人工神经网络是对人脑结构的模拟,模糊控制与人类模糊思维有着相络是对人脑结构的模拟,模糊控制与人类模糊思维有着相似之处,而进化算法则是对生物的生
3、存演化进行了描述。似之处,而进化算法则是对生物的生存演化进行了描述。生物免疫系统是一种具有高度分布性的自适应学习系统,生物免疫系统是一种具有高度分布性的自适应学习系统,具有完善的机制来抵御外来病源的入侵,计算机的安全问具有完善的机制来抵御外来病源的入侵,计算机的安全问题与生物免疫系统遇到的问题惊人的相似,于是就有人提题与生物免疫系统遇到的问题惊人的相似,于是就有人提出来:是不是可以把生物免疫系统的这些特性用于计算机出来:是不是可以把生物免疫系统的这些特性用于计算机领域呢?领域呢?第 2 页概概 述述篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得
4、分类型的系统n计算机免疫学的研究概况计算机免疫学的研究概况 1974年,丹麦学者 Jerne 提出了免疫系统的第一个数学模型,奠定的免疫计算的基础。1984年,由于在免疫学上的杰出贡献,Jerne 因此获得诺贝尔奖。1994年,美国学者Forrest,Perelson 等人提出了否定选择算法,用来生成检测器,完成了检测器的耐受过程,提出了计算机免疫系统的概念。在国内,有关计算机免疫的相关研究刚起步不久,2002年,武汉大学的梁意文教授利用免疫原理对大规模网络入侵检测和预警技术进行了研究。第 3 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分
5、类型的系统n n计算机免疫学的研究概况(续)2002年6月,IEEE Transaction on Evolutionary Computation 出专刊报道了有关人工免疫系统(Artificial Immune System,AIS)的研究进展,2002-2004年,国际上举办有关人工免疫的学术会议达20多次。2003年,中国科学技术大学研制了一个“基于人工免疫的入侵预警系统”,该系统具有较好的未知入侵检测能力。2004年,四川大学计算机网络安全与研究所提出了基于免疫的大规模网络入侵动态取证,以及网络安全风险检测与控制技术。第 4 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负
6、的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n计算机免疫学的定义 计算机免疫学(计算机免疫学(Computer ImmunologyComputer Immunology)一词最)一词最早由早由ForrestForrest等人提出,他认为计算机免疫学是一门等人提出,他认为计算机免疫学是一门基于生物免疫学、人工免疫、以及计算机科学等的交基于生物免疫学、人工免疫、以及计算机科学等的交叉学科,主要利用最新计算机科学技术,研究有关人叉学科,主要利用最新计算机科学技术,研究有关人工免疫的理论、规则、算法、模型等,并将这些理论工免疫的理论、规则、算法、模型等,并将这些理论应用于具体的应用系统中
7、,解决实际的应用课题。目应用于具体的应用系统中,解决实际的应用课题。目前国内还没有统一说法。前国内还没有统一说法。现在,计算机免疫学的同义词有很多。例如,计现在,计算机免疫学的同义词有很多。例如,计算机免疫系统、免疫计算、免疫计算机、人工免疫、算机免疫系统、免疫计算、免疫计算机、人工免疫、基于免疫的系统等。基于免疫的系统等。总之,计算机免疫学是一门多学科领域的、边缘总之,计算机免疫学是一门多学科领域的、边缘交叉学科。交叉学科。第 5 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统生物免疫学机理生物免疫学机理n n免疫学中一些基本概
8、念免疫学中一些基本概念n n免疫(免疫(ImmunityImmunity)指机体识别和排除指机体识别和排除指机体识别和排除指机体识别和排除抗原异物抗原异物抗原异物抗原异物,维持机体生理平衡,维持机体生理平衡,维持机体生理平衡,维持机体生理平衡和稳定的功能。和稳定的功能。和稳定的功能。和稳定的功能。n n免疫学(免疫学(Immunology)Immunology)研究机体免疫系统的组成(研究机体免疫系统的组成(研究机体免疫系统的组成(研究机体免疫系统的组成(免疫器官免疫器官免疫器官免疫器官、免疫细胞免疫细胞免疫细胞免疫细胞和和和和免疫免疫免疫免疫分子分子分子分子),),),),识别(自己、异己)
9、并消除(异己)识别(自己、异己)并消除(异己)识别(自己、异己)并消除(异己)识别(自己、异己)并消除(异己)有害生物(体外入侵,体内产生)及其成分的应答过有害生物(体外入侵,体内产生)及其成分的应答过有害生物(体外入侵,体内产生)及其成分的应答过有害生物(体外入侵,体内产生)及其成分的应答过程及机制的科学。程及机制的科学。程及机制的科学。程及机制的科学。第 6 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n抗原(抗原(Antigen)抗原(抗原(抗原(抗原(antigenantigen,AgAg)是一类能刺激机体免)是一类
10、能刺激机体免)是一类能刺激机体免)是一类能刺激机体免疫系统使之产生特异性免疫应答、并能与相应免疫系统使之产生特异性免疫应答、并能与相应免疫系统使之产生特异性免疫应答、并能与相应免疫系统使之产生特异性免疫应答、并能与相应免疫应答产物(抗体和致敏淋巴细胞)在体内外发疫应答产物(抗体和致敏淋巴细胞)在体内外发疫应答产物(抗体和致敏淋巴细胞)在体内外发疫应答产物(抗体和致敏淋巴细胞)在体内外发生特异性结合的物质。生特异性结合的物质。生特异性结合的物质。生特异性结合的物质。n n抗体(抗体(Antibody,Ab)能与抗原进行特异性结合的免疫细胞称为抗体。能与抗原进行特异性结合的免疫细胞称为抗体。能与抗
11、原进行特异性结合的免疫细胞称为抗体。能与抗原进行特异性结合的免疫细胞称为抗体。n n自我和非我自我和非我(Self and Non-self)自我对应于机体自身的组织,非我对应于外来自我对应于机体自身的组织,非我对应于外来自我对应于机体自身的组织,非我对应于外来自我对应于机体自身的组织,非我对应于外来有害病原或者体内病变组织。有害病原或者体内病变组织。有害病原或者体内病变组织。有害病原或者体内病变组织。第 7 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n人体天然防线人体天然防线n n第一道防线第一道防线第一道防线第一道防线
12、主要是皮肤和黏膜。它是机体防御体主要是皮肤和黏膜。它是机体防御体主要是皮肤和黏膜。它是机体防御体主要是皮肤和黏膜。它是机体防御体系中很重要的部分。失去这一屏障,如大面积烧系中很重要的部分。失去这一屏障,如大面积烧系中很重要的部分。失去这一屏障,如大面积烧系中很重要的部分。失去这一屏障,如大面积烧伤,人将由于失液缺失、严重感染使机体面临极伤,人将由于失液缺失、严重感染使机体面临极伤,人将由于失液缺失、严重感染使机体面临极伤,人将由于失液缺失、严重感染使机体面临极大威胁。大威胁。大威胁。大威胁。n n第二道防线第二道防线第二道防线第二道防线指吞噬细胞和巨噬细胞。指吞噬细胞和巨噬细胞。指吞噬细胞和巨
13、噬细胞。指吞噬细胞和巨噬细胞。n n特异性免疫特异性免疫 一旦病原体突破了前两道防线进入人体,并繁一旦病原体突破了前两道防线进入人体,并繁一旦病原体突破了前两道防线进入人体,并繁一旦病原体突破了前两道防线进入人体,并繁殖,机体就经历了一次与病原体斗争的过程,这种对殖,机体就经历了一次与病原体斗争的过程,这种对殖,机体就经历了一次与病原体斗争的过程,这种对殖,机体就经历了一次与病原体斗争的过程,这种对某一种病原体的识别和杀灭作用称特异性免疫。能进某一种病原体的识别和杀灭作用称特异性免疫。能进某一种病原体的识别和杀灭作用称特异性免疫。能进某一种病原体的识别和杀灭作用称特异性免疫。能进行免疫应答的免
14、疫细胞有很多种,最重要的是淋巴细行免疫应答的免疫细胞有很多种,最重要的是淋巴细行免疫应答的免疫细胞有很多种,最重要的是淋巴细行免疫应答的免疫细胞有很多种,最重要的是淋巴细胞,一种是在骨髓(胞,一种是在骨髓(胞,一种是在骨髓(胞,一种是在骨髓(bone marrowbone marrow)内发育成熟的细)内发育成熟的细)内发育成熟的细)内发育成熟的细胞,叫胞,叫胞,叫胞,叫B B细胞;另一种是在胸腺内发育成熟,称为细胞;另一种是在胸腺内发育成熟,称为细胞;另一种是在胸腺内发育成熟,称为细胞;另一种是在胸腺内发育成熟,称为T T淋巴细胞淋巴细胞淋巴细胞淋巴细胞.第 8 页篮球比赛是根据运动队在规定
15、的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 人体免疫系统三大功能人体免疫系统三大功能人体免疫系统三大功能人体免疫系统三大功能 功能功能功能功能功能功能 正常表现正常表现正常表现正常表现正常表现正常表现 免疫防御免疫防御免疫防御免疫防御免疫防御免疫防御 抗感染抗感染抗感染抗感染抗感染抗感染 (immunologic defense)(immunologic defense)(immunologic defense)(immunologic defense)(immunologic defense)(immunologic defense)免疫稳定免疫稳定免
16、疫稳定免疫稳定免疫稳定免疫稳定 消除炎症或衰老细胞消除炎症或衰老细胞消除炎症或衰老细胞消除炎症或衰老细胞消除炎症或衰老细胞消除炎症或衰老细胞 (immunologic homeostasis)(immunologic homeostasis)(immunologic homeostasis)(immunologic homeostasis)(immunologic homeostasis)(immunologic homeostasis)免疫监视免疫监视免疫监视免疫监视免疫监视免疫监视 控制癌变细胞控制癌变细胞控制癌变细胞控制癌变细胞控制癌变细胞控制癌变细胞 (immunologic surv
17、eillance)(immunologic surveillance)(immunologic surveillance)(immunologic surveillance)(immunologic surveillance)(immunologic surveillance)第 9 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n人体的免疫机制 人体的免疫机制中有三个阶段:自体耐受、免疫应答、免疫反馈。人体的免疫机制中有三个阶段:自体耐受、免疫应答、免疫反馈。n n自体耐受自体耐受(self tolerance self t
18、olerance)是对自体抗原不应答的一种免疫耐受,如图是免疫)是对自体抗原不应答的一种免疫耐受,如图是免疫系统区分自体系统区分自体/非自体抗原时的反应状态。非自体抗原时的反应状态。非自体抗原非自体抗原 自体抗原自体抗原 克隆扩增克隆扩增 克隆忽视克隆忽视 否定选择否定选择 克隆删除克隆删除 克隆无能克隆无能 未受影响细胞未受影响细胞 克隆效应克隆效应第 10 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n免疫应答 抗原进入机体后,免疫细胞对抗原分子的识别抗原进入机体后,免疫细胞对抗原分子的识别和效应过程,称为免疫应答(和效
19、应过程,称为免疫应答(immume response immume response)。)。可分为三个阶段。可分为三个阶段。n n 抗原提呈抗原提呈 抗原提呈是指能免疫细胞能捕获、加工、处理抗原抗原提呈是指能免疫细胞能捕获、加工、处理抗原,并并将抗原提呈给抗原特异性淋巴细胞。人体内的将抗原提呈给抗原特异性淋巴细胞。人体内的B B细胞可以利细胞可以利用其表面的免疫球蛋白分子(抗体)直接与抗原结合,诱用其表面的免疫球蛋白分子(抗体)直接与抗原结合,诱导产生免疫应答。导产生免疫应答。n n 免疫系统特异识别免疫系统特异识别 抗原被提呈后,将发生免疫系统特异识别。免疫细胞抗原被提呈后,将发生免疫系统特
20、异识别。免疫细胞表面的受体和抗原表面的抗原决定基产生化学结合。受体表面的受体和抗原表面的抗原决定基产生化学结合。受体和抗原决定基都是复杂的含有电荷的三维结构,二者的结和抗原决定基都是复杂的含有电荷的三维结构,二者的结构和电荷越互补,就越有可能结合,结合的强度称为亲和构和电荷越互补,就越有可能结合,结合的强度称为亲和力(力(affinityaffinity)下图为下图为B B细胞的模式识别。细胞的模式识别。第 11 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 BCRBCR或抗体或抗体 B B细胞受体细胞受体 抗原决定基抗原决定基
21、 B细胞的模式识别第 12 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n体细胞高频变异和免疫记忆体细胞高频变异和免疫记忆 人体是部最精密、最复杂的机器,人体内的免疫细人体是部最精密、最复杂的机器,人体内的免疫细胞是怎样繁殖的呢?其核心是克隆选择原理胞是怎样繁殖的呢?其核心是克隆选择原理 克隆选择原理主要思想:克隆选择原理主要思想:1.1.免疫系统要产生数十亿种类的有抗体受体的免疫系统要产生数十亿种类的有抗体受体的B B细胞;细胞;2.2.抗原提呈导致能与抗原结合的抗体克隆扩增和分化;抗原提呈导致能与抗原结合的抗体克隆扩增和
22、分化;B B细胞活化后,可在淋巴结内,也可在骨髓内以极细胞活化后,可在淋巴结内,也可在骨髓内以极高的频率分裂,同时产生克隆选择,其中一部分分化为高的频率分裂,同时产生克隆选择,其中一部分分化为浆细胞,它不能继续增殖,其寿命仅为数日,但是浆细浆细胞,它不能继续增殖,其寿命仅为数日,但是浆细胞产生抗体的能力特别强,高峰期一个浆细胞每分钟可胞产生抗体的能力特别强,高峰期一个浆细胞每分钟可分泌数千个抗体分子,另一部分变成记忆细胞,形成免分泌数千个抗体分子,另一部分变成记忆细胞,形成免疫记忆,能存活数年,再被激活时,可重复以前的变化,疫记忆,能存活数年,再被激活时,可重复以前的变化,一部分化为效应细胞,
23、一部分仍为记忆细胞。一部分化为效应细胞,一部分仍为记忆细胞。第 13 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 克隆删除(否定选择)克隆删除(否定选择)克隆扩增克隆扩增 选择选择 记忆细胞记忆细胞 分化分化 浆细胞浆细胞 克隆删除(否定选择)克隆删除(否定选择)克隆选择原理克隆选择原理第 14 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n形态空间的提出 为了定量的描述免疫系统,Perelson和 Oster 提出所有的免疫事件都在形态空间(shape-s
24、pace)S中发生,这是一个多维空间,每个轴表示一个物理化学的测量方法,用该方法可以描述一个分子形态。分子结构表示成一个点 sS,因而在L维空间(形态空间)中,可将一个点定为决定抗体-抗原相互作用的特征集。数学上,这种形态被描述成L维字符串或向量。计算机免疫学基本原理计算机免疫学基本原理第 15 页篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n形态空间模型形态空间模型n n形态空间形态空间 形态空间的基本模型如图所示,形态空间的基本模型如图所示,形态空间含有抗体结合簇形态空间含有抗体结合簇(表示表示)和抗原决定基和抗原决定基(
25、表示表示),其中,其中 是是 免疫交叉反应阐值,并且假设一个免疫交叉反应阐值,并且假设一个 抗体能够识别周围体积抗体能够识别周围体积 V V范围内范围内 的抗原决定基。抗体识别抗原过程的抗原决定基。抗体识别抗原过程 就是与抗原匹配的过程,抗原和抗就是与抗原匹配的过程,抗原和抗 体分子之间的亲和力大于或者等于体分子之间的亲和力大于或者等于 交叉反应阐值时,分子间的识别交叉反应阐值时,分子间的识别 事件就会发生,即分子之间存在不事件就会发生,即分子之间存在不 完全匹配性。完全匹配性。第 16 页 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型
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