Surrogate modeling of Cellular-Potts agent-based models as a segmentation task using the U-Net neural network architecture
Notice bibliographique
Résumé
The Cellular-Potts model is a powerful and ubiquitous framework for developing computational models for simulating complex multicellular biological systems. Cellular-Potts models (CPMs) are often computationally expensive due to the explicit modeling of interactions among large numbers of individual model agents and diffusive fields described by partial differential equations (PDEs). In this work, we develop a convolutional neural network (CNN) surrogate model using a U-Net architecture that accounts for periodic boundary conditions. We use this model to accelerate the evaluation of a mechanistic CPM previously used to investigate in vitro vasculogenesis. The surrogate model was trained to predict 100 computational steps ahead (Monte-Carlo steps, MCS), accelerating simulation evaluations by a factor of 562 times compared to single-core CPM code execution on CPU. Over short timescales of up to 3 recursive evaluations, or 300 MCS, our model captures the emergent behaviors demonstrated by the original Cellular-Potts model such as vessel sprouting, extension and anastomosis, and contraction of vascular lacunae. This approach demonstrates the potential for deep learning to serve as a step toward efficient surrogate models for CPM simulations, enabling faster evaluation of computationally expensive CPM simulations of biological processes.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».