BioDynaMo（已開源）：一個研究生物過程的新計算平臺

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基於代理的建模是研究複雜生物系統不可或缺的工具。然而，現有的模擬平臺並不總是充分利用現代硬體，並且通常具有特定於領域的軟體設計。

薩里大學、歐洲核子研究中心、紐卡斯爾大學等研究機構的研究人員合作，提出了一種稱為 BioDynaMo 的新型模擬平臺，可以緩解這兩個問題。

BioDynaMo 具有模組化和高效能的模擬引擎。研究人員證明 BioDynaMo 可用於模擬以下領域的用例：神經科學、腫瘤學和流行病學。對於每個用例，研究人員使用實驗資料或分析解決方案來驗證 BioDynaMo 的模擬發現。效能測試結果表明 BioDynaMo 的效能比當前最先進的基線快三個數量級。這一改進使得在單個伺服器上用 10 億個代理模擬每個用例變得可行，展示了 BioDynaMo 對計算生物學研究的潛力。

該研究以「BioDynaMo: a modular platform for high-performance agent-based simulation」為題，於2021年9月16日釋出在《Bioinformatics》。

基於代理的模擬 (ABS) 是一種強大的工具，可幫助生命科學家更好地理解複雜的生物系統。計算機模擬是一種快速測試有關細胞群、組織、器官或整個生物體的（病理）生理學假設的廉價且有效的方法。

然而，此類計算機模擬對科學研究的有效性通常是有限的，部分原因有兩個。首先，在摩爾定律和登納德縮放放緩之後，硬體變得越來越並行和異構。大多數 ABS 平臺沒有充分利用這些硬體增強功能。由此產生的有限計算能力迫使生命科學家在模型解析度或模擬大小上做出妥協。其次，現有的 ABS 平臺通常是在考慮特定用例的情況下開發的。這使得實施所需的模型具有挑戰性，即使它僅與最初的目的略有不同。

模擬概念。

為了幫助研究人員應對這兩個主要挑戰，該團隊提出了一個用於生物動力學建模的新型開源平臺 BioDynaMo；透過強調效能和模組化來緩解這兩個問題。BioDynaMo 具有高效能模擬引擎，該引擎完全並行化以利用多核 CPU，並能夠將計算解除安裝到硬體加速器（例如 GPU）。

該軟體包括一組基本的生物學功能，以及適應特定使用者需求的靈活設計。目前，BioDynaMo 實現了 Zubler 和 Douglas 的研究中提出的神經突模型和機械力，但這些元件可以輕鬆擴充套件、修改或替換。因此，BioDynaMo 非常適合模擬組織建模及其他領域的各種生物過程。

Zubler 和 Douglas 的研究：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19949465/

BioDynaMo 按設計提供了五個系統屬性：

基於代理。 BioDynaMo 專案的建立是為了支援一種基於代理的建模方法，該方法允許模擬廣泛的發育生物過程。基於代理的模擬的一個特徵是缺乏協調所有代理行為的中央組織單元。恰恰相反，每個代理都是一個自治實體，根據其當前狀態、行為和周圍環境單獨確定其動作。

一般用途。 BioDynaMo 旨在成為基於代理的模擬的通用工具。為了模擬各個領域的模型，BioDynaMo 的軟體設計是可擴充套件的和模組化的。

規模大。 生物系統包含大量的代理。例如，大腦皮層包含大約 160 億個神經元（Azevedo 等，2009）。生物學家不應受限於模擬中的代理數量。因此，BioDynaMo 旨在充分利用現代硬體並有效地使用記憶體來擴充套件模擬。

易於程式設計。 ABS 平臺的成功尤其取決於科學家（不一定是計算機科學或高效能程式設計方面的專家）將想法轉化為模擬的速度。這個特性可以分解為 BioDynaMo 旨在滿足的四個關鍵要求：第一，BioDynaMo 提供廣泛的通用功能，如視覺化、繪圖、引數解析、備份等。第二，BioDynaMo 提供了模擬原語，可以最大限度地減少構建用例所需的程式設計工作。第三，如「通用」項中所述，BioDynaMo 具有模組化和可擴充套件設計。第四，BioDynaMo 提供了一個連貫的 API 並隱藏了與計算模型無關的實現細節（例如並行化策略、同步、負載平衡或硬體最佳化等細節）。

質量有保證。 BioDynaMo 建立了嚴格的、測試驅動的開發過程，以促進程式碼庫的正確性、可維護性和結果的可再現性。