Numeriske simuleringer av hjertets elektrofysiologi ned mot cellenivå

MICROCARD er et europeisk forskningsprosjekt for å bygge programvare som kan simulere hjertets elektrofysiologi ved hjelp av helhjertemodeller med subcellular oppløsning, på fremtidige eksascale superdatamaskiner. Den er finansiert av EuroHPC call Towards Extreme Scale Technologies and Applications. Prosjektet starter i april 2021.

Sammendrag

Kardiovaskulær sykdom er den hyppigste årsaken til død i hele verden, og halvparten av slike kardiovaskulære dødsfall skyldes hjertearytmi som opptrer når de elektriske impulsene i hjertet ikke fungerer normalt og dermed ødelegger hjertets elektriske synkroniseringssystem. Matematiske modeller, samt simuleringer av disse modellene på datamaskin, er veldig viktige for å forstå det elektriske synkroniseringssystemet og hvorfor syke tilstand oppstår. I dag er allerede avanserte matematiske modeller brukt i forskning, men disse modellene er ikke i stand til å studere alle individuelle cellene i hjertet (ca. 2 milliard celler). Derfor må forskerne ty til en kraftig tilnærming og nøye med mye lavere oppløsninger i simuleringene. Dagens matematiske modeller kan f.eks. ikke forklare sykdommens forløp i aldrende og strukturelt syke hjerter, hvor en redusert elektrisk kobling kan føre til store forskjeller mellom naboceller, som har en potensielt dødelig konsekvens.

For å kunne modellere og dermed simulere de individuelle cellene i et helt hjerte, må vi takle et matematisk problem som er ca. 10000 ganger større og vanskeligere å løse enn dagens standard. Vi trenger derfor mye kraftigere superdatamaskiner samt nye oppfinnelser som kan sikre en effektiv bruk av disse superdatamaskinene.

Hovedmålet til prosjekt MICROCARD er å utvikle programvare som kan brukes til å løse dette ekstremt utfordrende problemet på fremtidige exascale superdatamaskiner. Vi skal også lage nye numeriske algoritmer som er spesielt tilpasset det underliggende matematiske problemet, og som passer for fremtidens ultrakraftige datamaskiner. Vi vil ikke nøye oss med et "proof of concept", men skal bruke den utviklede programvaren til å løse realistiske problemer innen kardiologi. Suksess til prosjektet vil være basert på et velfungerende team av dataeksperter, matematikere og biomedisinske ingeniører, støttet av et samarbeid med kardiologer og fysiologer.

Finansiering