超级计算机模拟揭示心房颤动进展的原因

心房颤动 (AF) 是最常见的心律不齐类型，随着时间的推移，它会恶化并成为永久性的——根据美国国立卫生研究院的说法，这是一种严重的疾病，是缺血性中风的主要可预防原因。

俄亥俄州立大学 (OSU) 生物医学工程系博士后研究员 Nicolae Moise 正在利用 NCSA 和 OSC 的计算资源研究房颤的长期进展，希望他的研究能够帮助开发出能够在房颤发展为终身疾病之前阻止其发展的治疗方法。他的研究成果最近发表在《JACC ：临床电生理学》杂志上。

心房颤动是一种心律不齐的疾病，患者的心脏上腔（心房）与下腔跳动不同步。这种疾病最初只是偶发现象，最终会发展成为永久性的。进行详细到位的人体实验非常困难，因此 Moise 在计算机上模拟了这些过程。

“我们使用心脏电生理模型来研究短期心脏活动（毫秒到秒）如何驱动心脏组织的长期变化（数天、数周甚至数月），”Moise说道。“据我所知，我们的模拟是迄今为止最长的：我们模拟了长达24小时的连续二维电活动。”

通过模拟，研究人员能够长期监测心脏运作的各个方面。尽管心脏看起来相对简单，但运行如此精细的模拟需要大量的计算。

“所有 2D 模拟均使用 NCSA GPU 和 DSP 上的 CUDA 代码运行，这对于研究如此长的时间尺度至关重要，”Moise 说道。

我们使用的 NCSA 资源包括 Delta 提供的 NVIDIA GPU。通过在 NVIDIA GPU 上运行 CUDA 代码，我们能够将模拟速度提高约 250 倍。由于本研究中最长的模拟持续了大约一周，而在普通 PC 或笔记本电脑上则需要数年时间。

Moise 的团队发现了心房颤动 (AF) 患者心脏的一个有趣特征。随着心率增加，心脏细胞会适应维持钙平衡。然而，这种惊人的细胞适应能力也带来了一个严重的缺陷：这些适应能力会使心脏更容易再次出现心律失常。由此形成了一个恶性循环：随着病情持续，更多的细胞会适应钙平衡，进一步增加心律失常的易感性，最终导致持续性心律不齐。

Moise 的研究表明了及早发现房颤并进行治疗对于维持心脏健康如此重要。

“我们的研究重点关注最常见的心律失常——心房颤动，它是导致中风的主要原因，且发病率和死亡率都很高，通过计算机模拟心脏电活动进行研究，”Moise 说道。“这项研究让我们首次能够追踪这种疾病的发生和长期发展，最终将有助于开发出更好的药物来预防或阻止其进展。”

Moise 的研究有望显著改善房颤的治疗，因为它能为医生和科学家提供新的视角，帮助他们理解房颤的进展机制。这种方法或许能为心脏病学相关领域及其他领域的科学家带来启发。

“我们相信，我们的工作为心脏电生理模拟开辟了新的时间维度，表明单日模拟（甚至更长时间）在技术上是可行的，”Moise 说道。“这种方法可以应用于多种疾病，例如窦房结功能障碍或心肌梗死引起的心律失常。此外，这项工作首次允许模拟心律失常电活动引起的心房颤动的长期进展，从而直接推动了心房颤动的研究，并为测试针对细胞内调节机制的疗法开辟了可能性。最后，更广泛地说，我们希望我们的工作能够激励其他研究人员应对跨越更长时间尺度的生物学挑战。”

在未来的研究中，Moise 计划完善他的模拟，纳入潜在的治疗方法，并通过额外的实验进一步验证他的发现。之前的相关研究已发表在《生物物理学杂志》上。