Hochleistungs-Computing-Schuppen Licht auf Herzrhythmusstörungen

Vielleicht haben Sie den Ausdruck „Mein Herz übersprungen“ gehört, als jemand über eine romantische Begegnung sprach. In Wahrheit sind Herzen, die unregelmäßig schlagen, gefährlich für Ihre Gesundheit. Vorhofflimmern (AF) ist die häufigste Art des unregelmäßigen Herzschlags, und im Laufe der Zeit kann es sich verschlechtern und zu einer dauerhaften Erkrankung werden, eine schwere Störung, die laut NIH die führende vermeidbare Ursache für ischämischen Schlaganfall ist. Nicolae Moise, ein Forschungswissenschaftler im Abteilung für Biomedizinische Ingenieurwesen an der Ohio State University (OSU), verwendet NCSA- und OSC-Hochleistungs-Computerressourcen, um den langfristigen Fortschreiten von AF zu untersuchen, in der Hoffnung, dass seine Forschung mit Behandlungen helfen kann, die AF vorhaben können, bevor sie zu einem lebenslangen Zustand werden. Seine Arbeiten wurden kürzlich in veröffentlicht in JACC: Klinische Elektrophysiologie.

AF ist eine Art unregelmäßiger Herzschlag, bei dem die oberen Kammern des Herzens – die Vorhöfe – aus Synchronisation mit den unteren Kammern geschlagen werden. Was als gelegentliches Ereignis im Laufe der Zeit beginnt, wird dauerhaft. Menschliche Studien sind schwer zu durchführen, wobei der Detailniveau erforderlich ist, um die Testtypen durchzuführen, die Moise simuliert.

„Wir verwenden kardiale Elektrophysiologie-Modelle, um zu untersuchen, wie kurzfristig die Herzaktivität (MS-S-Zeitskala) langfristige Veränderungen des Herzgewebes (Tage-Wochen-Monate) verursacht“, sagte Moise. „Unsere Simulationen sind meines Wissens die bisher längsten und simulieren bis zu 24 Stunden kontinuierlicher 2D -elektrischer Aktivität.“

Simulationen ermöglichen es den Forschern, jeden Aspekt des Herzens über einen langen Zeitraum zu kontrollieren. Wie ein Herz arbeitet, mag auf der Oberfläche relativ einfach erscheinen, aber es gibt viele Berechnungen, um eine Simulation auf dieser Detailniveau eines menschlichen Herzens durchzuführen. Hier kommen die Ressourcen des Zentrums ins Spiel. Moise nutzte das Access -Programm der US National Science Foundation, um eine Zuteilung in den Delta Supercomputer von NCSA zu erhalten, um die komplexen Herzsimulationen durchzuführen.

„Alle 2D -Simulationen wurden unter Verwendung von CUDA -Code im NCSA- und dem Ohio Supercomputer Center GPUs durchgeführt – dies war kritisch, um so lange Zeiträume zu untersuchen“, sagte Moise.

Die von uns verwendeten NCSA -Ressourcen waren spezifisch NVIDIA -GPUs über Delta erhältlich. Durch die Durchführung der Simulationen unter Verwendung von CUDA -Code, die auf NVIDIA GPUs ausgeführt wurden, konnten wir unsere Simulationen um einen Faktor von ~ 250 beschleunigen. Da unsere längsten Simulationen in dieser Studie ungefähr eine Woche dauern, hätten sie in der Reihenfolge der Jahre auf einem regulären Personalcomputer oder Laptop durchgeführt. „

Nicolae Moise, Ohio State University

Das Team von Moise entdeckte einige interessante Herzverhalten, wenn sie mit AF betroffen war. Wenn eine Person einen schnellen Herzschlag hat, passen sich die Herzzellen an, um den Kalziumspiegel im Gleichgewicht zu halten. Dieses unglaubliche Merkmal von Herzzellen hat einen erheblichen Nachteil. Die gleichen Anpassungen machen das Herz anfällig für fortgesetzte Arrhythmien oder abnormale Herzschläge. Dies erzeugt einen Teufelskreis, in dem sich mehr Herzzellen anpassen, um den Kalziumspiegel im Gleichgewicht zu halten, wenn der Zustand fortgesetzt wird, was wiederum das Herz anfälliger für Arrhythmien macht, was schließlich zu einem dauerhaften unregelmäßigen Herzschlag führt.

Moises Arbeit zeigt genau, warum es für die Herzgesundheit von entscheidender Bedeutung ist, AF früh zu fangen und zu behandeln. „Unsere Forschung untersucht die häufigste Herzarrhythmie, Vorhofflimmern, die eine signifikante Ursache für Hirnschlag und damit Morbidität und Mortalität durch Computersimulationen der elektrischen Aktivität des Herzens ist“, sagte Moise. „Diese Arbeit ermöglicht es uns zum ersten Mal, die Einweihung und das langfristige Fortschreiten dieser Krankheit zu verfolgen, was letztendlich zu besseren Medikamenten führt, die ihr Fortschreiten verhindern oder stoppen.“

Die Forschung von Moise hat das Potenzial, die Behandlung von AH erheblich zu verbessern und Ärzten und Forschern eine neue Perspektive auf die Mechanismen zu geben, die zu ihrem Fortschritt führen. Untersuchungen wie diese können auch Arbeiten in ähnlichen Bereichen inspirieren und Forscher dabei unterstützen, andere Bereiche der Herzgesundheit und darüber hinaus zu untersuchen.

„Wir glauben, dass unsere Arbeit eine neue Zeitdimension in Simulationen für Herzelektrophysiologie eröffnet und zeigt, dass technisch machbare technische Simulationen (oder sogar noch mehr) machbar sind“, sagte Moise. „Dieser Ansatz kann auf eine Vielzahl von Krankheiten angewendet werden, wie z. Inspirieren Sie hoffentlich andere Forscher dazu, biologische Probleme anzugehen, die große Zeiträume umfassen. „

In zukünftigen Studien beabsichtigt Moise, die Simulation zu übernehmen, die sein Team entwickelt hat, und mögliche Behandlungen einführen. Das Team wird auch weiterhin darauf hinarbeiten, seine Ergebnisse durch zusätzliche Experimente zu validieren. Vorherige verwandte Arbeiten wurden in veröffentlicht in Biophysical Journal.

Quellen: