Ученые из Токийского университета и исследователи из научной группы компании Fujitsu разработали симулятор бьющегося человеческого сердца, основу которого составляют математические модели действия молекулярных внутриклеточных “двигателей”, которые приводят в действия сердца всех живых существ. Эта математическая модель связывает воедино микроуровень, уровень отдельных биологических молекул и клеток, и макроуровень, уровень отдельных элементов и сердца в целом, а такие взаимосвязи, в свою очередь, позволяют делать высокоуровневые прогнозы касательно различных ситуаций, которые могут использоваться в качестве материалов для медицинских исследований и клинической практики.
“В нашей математической модели мы учитываем движение и поведение абсолютно всех молекул тканей сердца, которые на более высоком уровне превращаются в движение сокращающихся мускулов, обеспечивающих всю динамику сердцебиения. Это требует поистине огромной вычислительной мощности” – пишут исследователи, – “Благодаря возможностям суперкомпьютера K, у нас теперь естьнеобходимая вычислительная мощность, которая используется для воспроизведения чрезвычайно реалистичных естественных ударов сердца”.
Расчеты математической модели биения сердца усложняются тем, что отдельные молекулы не действуют независимо друг от друга, он движутся под влиянием движения соседних молекул, которые могут быть молекулами совершенно иного типа. Кроме этого, во время движения изменяется форма сердца и эти изменения, в свою очередь, затрагивают поведение некоторых молекул. Вычислительные методы, описывающие все эти взаимосвязи между микро- и макромиром, настолько сложны, что программа моделирования просто не может быть запущена даже на суперкомпьютере среднего класса, для этого у такого суперкомпьютера не имеется ни достаточного количества ресурсов, ни достаточно вычислительной мощности.
“Основу вычислений составляют законы Ньютоновской динамики, на которые оказывают немалое влияние химические и биохимические реакции. Основной задачей, над которой работает наша модель, является постоянный поиск состояния динамического равновесия всех сил, а это описывается столь сложными системами уравнений со столь большим количеством переменных, что не только решение, но и сам принцип решения подобной системы является крайне сложной задачей. Кроме этого, наша модель учитывает и массу других факторов, таких, как давление, оказываемое кровью на стенки сосудов, сердечную мембрану, мышцу и клапаны. И благодаря суперкомпьютеру K, мы впервые получили возможность наблюдать и анализировать деятельность сердца в беспрецедентных деталях”.
В скором времени исследователи введут в разработанную математическую модель понятие молекулярных мутаций, мутаций, которые приводят к возникновению различных заболеваний сердечно-сосудистой системы. Совместив данные, полученные при помощи математической модели, с имеющимися данными теоретических и клинических исследований, медики получат в свое распоряжение мощнейший инструмент, при помощи которого можно будет выбрать наилучший вариант лечения буквально для каждого отдельного пациента.