Numerische Modellierung der kardialen Elektrophysiologie auf zellulärer Ebene

Das Herz nutzt elektrischen Strom zur Kommunikation zwischen benachbarten Zellen zur Koordination der Herzaktion. Heutige Computermodelle aus wenigen Millionen gekoppelter Zellen können die Erregung des Herzens simulieren. Solche Modelle bilden die Funktionalität gesunder Herzen mit intakten Zellverbindungen akkurat ab und sind ein wichtiges Forschungswerkzeug. Bei strukturellen Herzerkrankungen sind diese Verbindungen jedoch häufig geschädigt - eine vieldiskutierte Ursache tödlicher Herzrhythmusstörungen. Da heutige Computermodelle auf räumlichen Skalen weit jenseits der biologischen Zellgröße basieren, können sie die Veränderungen der Mikrostruktur nur grob wiedergeben. Um Simulationen für die Prävention des Herztodes einsetzen zu können, müssen sie um den Faktor 10⁴ umfangreicher werden. Eine Plattform für solche Simulationen erfordert nicht nur Exascale-Computer, sondern auch eine konzertierte Zusammenarbeit von Biomedizintechnik-Ingenieuren, Mathematikern und Informatikern.

MICROCARD ist ein europäisches Forschungsprojekt, das eine ausgereifte Plattform zur Simulation der Elektrophysiologie des Herzens im Mikrometermaßstab entwickeln wird. Die Modelle werden rund 10⁹ Herzzellen umfassen, die jeweils durch hunderte Gitterelemente repräsentiert werden. Daher wird die Simulationsplattform für künftige Exascale-Supercomputer ausgelegt. Zur effizienten Nutzung dieser Höchstleistungsrechner werden wir neueste HPC-Methoden und problemangepasste Algorithmen auf allen Ebenen vom einzelnen Thread bis zur gesamten Maschine nutzen. In MICROCARD arbeiten Nutzer und Entwickler verschiedener Disziplinen in einem Co-Design-Ansatz zusammen. Die Plattform wird Schnittstellen für alle Nutzergruppen bereitstellen: von Open Source Code bis hin zu Weboberflächen.

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