В МФТИ разработали алгоритм персонализации модели электрической активности сердца — Naked Science
8 минут
ФизТех

В МФТИ разработали алгоритм персонализации модели электрической активности сердца

4.9

Ученые из лаборатории физиологии человека МФТИ совместно с коллегами из Казанского федерального университета и Университета Джорджа Вашингтона (The George Washington University) предложили алгоритм, который позволяет получить математическую модель, описывающую электрическое возбуждение клеток сердца конкретного пациента.

В МФТИ разработали алгоритм персонализации модели электрической активности сердца / ©achadafisioclinic.com

В работе, опубликованной в научном журнале PLOS ONE, исследуется два возможных подхода к этой задаче: в одном случае с использованием экспериментальных записей электрической активности, а в другом — профиля экспрессии генов.

Каждое сокращение сердца вызвано предшествующим электрическим возбуждением, так называемым потенциалом действия. Последний обусловлен электрическими токами через ионные каналы. Количество каналов, формирующих ионные токи, неодинаково: изменения могут быть вызваны как заболеваниями, так и непаталогическими индивидуальными особенностями разных тканей сердца. Нарушение баланса между ионными токами различного типа может приводить к опасным аритмиям и смерти.

В силу большого количества факторов, влияющих на распространение возбуждения, общие принципы развития аритмий изучаются при помощи математических моделей на протяжении последних 50 лет. Несмотря на долгое развитие и усложнение таких моделей, они до сих пор редко применяются в клинической практике, главным образом из-за того, что описывают некоего «среднего» пациента. А чтобы они описывали конкретного пациента их нужно персонализировать, что является сложной задачей, решению которой и посвящена работа ученых.

Генетический алгоритм на основе персонализированных моделей человеческого потенциала сердечного действия / ©journals.plos.org

Первый подход, обсуждаемый в статье, основан на использовании экспериментальных записей формы потенциала действия и дальнейшей оптимизации модели при помощи специальных компьютерных алгоритмов. Данные алгоритмы используют эволюционные принципы для поиска таких параметров, при которых модель воспроизводит эксперимент.

При этом на множество случайно сгенерированных моделей поочередно действуют селекция, скрещивание и мутация. В работах разных групп прошлых лет показано, что недостаток этого подхода — сложность поиска уникального решения (существует множество комбинаций параметров, которые приводят к форме потенциала действия, близкой той, которая была записана у данного пациента).

Андрей Пикунов, один из авторов работы, сотрудник лаборатории физиологии человека МФТИ, говорит: «Мы пристально рассмотрели каждый из этапов работы алгоритма и оптимизировали их все. Например, в предыдущих работах модельные параметры подвергались мутации независимо друг от друга, а мы применили “векторную мутацию”, которая действует сразу на все параметры одновременно.

Так поиск требуемой параметризации модели идет значительно эффективнее. Вместе с другими модификациями получился алгоритм, который позволяет определить проводимости основных ионных каналов с высокой точностью».

Второй подход, обсуждаемый в статье, связан с использованием данных генетической экспрессии, процесса, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в РНК или белок. Каждый ионный канал на клеточной мембране состоит из белковых субъединиц, которые встраиваются в клеточную мембрану после трансляции с матричной РНК (мРНК). Количество экспрессируемой мРНК может быть измерено, но до сих пор не было возможности предсказания электрофизиологических особенностей пациента на основе этой информации.

Для этого в данной работе модель была откалибрована с использованием описанных выше алгоритмов на одном из пациентов. Затем на основе разницы профилей экспрессии были разработаны математические модели, которые успешно предсказали форму потенциала действия других пациентов по их индивидуальному профилю экспрессии генов.

Роман Сюняев, автор работы, заведующий лабораторией физиологии человека МФТИ, говорит: «Кроме фундаментального интереса, у работы есть широкие практические перспективы: от использования пациент-специфических моделей в клинической практике до дизайна лекарств.

Так, многие лекарственные препараты зачастую действуют на различные ионные каналы. Разработанные алгоритмы в перспективе могут позволить понять на основании измерений формы потенциала действия эффект препарата на сердечные клетки». Работа была поддержана грантами РФФИ и РНФ.  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 19:25
5 минут
Виктория Сафронова

Город Нюва предлагается построить из туннелей в глубине марсианской скалы.

Вчера, 11:54
2 минуты
Илья Ведмеденко

В Сеть выложили фотографии строящегося первого опытного образца нового легкого самолета ЛМС-901. Поднять машину в небо ранее хотели в конце этого года.

5 часов назад
4 минуты
Ольга Иванова

Ученые из Нидерландов выяснили, что тираннозавры, вероятно, передвигались медленнее, чем предполагалось. Скорость их размеренного шага оказалась примерно равна скорости прогуливающегося человека. Зато походка была качающейся и пружинистой.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

16 апреля
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

15 апреля
14 минут
Василий Парфенов

Новое масштабное журналистское расследование собрало воедино самые вопиющие факты коррупции, махинаций с официальной статистикой и игнорирования пандемии на государственном уровне.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: