В МФТИ разработали алгоритм персонализации модели электрической активности сердца — Naked Science
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.
Позавчера, 17:46
Мария Азарова

Глава благотворительного фонда Wellcome Trust и по совместительству профессор медицины Джереми Фаррар заявил, что издатели журнала The Lancet попали под влияние китайских властей и в январе 2020 года вовремя не выпустили исследование об опасности коронавируса. В итоге промедление спровоцировало столь быстрое распространение Covid-19.

24 июля
Илья Ведмеденко

Тридцатого июля, в 21:53 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя Atlas V с перспективным кораблем CST-100. Трансляцию вы сможете посмотреть на нашем сайте.

Позавчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

Позавчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

Позавчера, 21:04
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

24 июля
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

Позавчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: