Архив   Авторы  
Виртуальные модели сердца ученые создают не из простого любопытства. Совсем скоро они помогут сделать процедуру дефибрилляции (на фото) более щадящей

Дела сердечные
Общество и наукаТехнология

Отечественные исследователи подошли вплотную к созданию виртуального человеческого сердца. В отличие от живого оно годится для самых смелых экспериментов


 

Новое направление науки, математическая физиология, рождается у нас на глазах. Кто бы мог подумать, что медики будут вслушиваться в ритм виртуального сердца в надежде вылечить реальные болезни? Исследователи Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН готовы предоставить им такую возможность.

По спирали

Все началось в 1947 году, когда отец кибернетики Норберт Винер вместе с физиологом Артуро Розенблютом предложили математическую модель фибрилляции - самой опасной аритмии, часто ведущей к смерти человека. В случае ее происходит несинхронное сокращение клеток миокарда. В норме клетки сердца должны действовать слаженно, как гребцы в лодке. Однако при фибрилляции они как будто бьют веслами вразнобой - кровь циркулирует внутри желудочков и почти не попадает в аорту. «Моделью клеточных автоматов» Винера и Розенблюта, описывающей явление фибрилляции, заинтересовались советские физики и математики. «Чтобы описать процесс передачи возбуждения от одного кардиоцита другому, был предложен термин «автоволны», - говорит старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Рубин Алиев. - Так, еще в 50-60-е годы был создан язык, с помощью которого описываются сложные процессы в сердце на уровне физических явлений». Тогда же ученые предположили, что особый вид автоволн, так называемые спиральные волны, рождающиеся в сердце, могут быть причиной различных аритмий.

Сначала кардиологи с энтузиазмом отнеслись к новым разработкам - ведь, казалось бы, удалось определить причины и механизмы рождения аритмий, о которых до этого в кардиологии были туманные представления. Но вскоре выяснилось, что все разнообразие сердечных аритмий невозможно описать с помощью простой модели. А медики, имея дело с конкретными пациентами, требовали внимания именно к деталям. Скептицизм по отношению к математическому моделированию в кардиологии постепенно нарастал. Стала очевидной необходимость в более детальных моделях работы сердца, учитывающих все богатство динамики, присущей живому миокарду. Для того чтобы представить, что в главном органе человека функционирует не так, нужно было для начала получить точную картину хорошо работающего сердца. «Только потом, изменяя разные параметры модели, можно изучать отклонения и болезни», - говорит заведующий кафедрой биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники Сергей Селищев. Оказалось, что на языке точных наук это сделать совсем не просто: прежде чем смоделировать слишком сложный механизм, предстояло досконально разобраться в том, как бьется сердце.

Со многими переменными

Ученые выяснили, что механическим движениям предшествуют электрические импульсы. Электричество есть в живых клетках потому, что внутри них и снаружи, в межклеточной жидкости, концентрация ионов неодинакова. Например, в клетке много ионов калия и мало ионов натрия, а снаружи наоборот. Поскольку ионы - это заряженные частицы, разность потенциалов налицо: клетки всегда заряжены отрицательно по сравнению с межклеточной жидкостью. Этот потенциал покоя обычно составляет приблизительно минус 80-90 милливольт.

Открытия последних лет показали, что рабочие клетки сердца, кардиоциты, связаны между собой особыми каналами - щелевыми контактами, по которым может поступать электрический ток. Предположим, от кардиоцита к соседу поступил ток и разрядил клеточную мембрану от минус 80 милливольт до минус 20. Это вызывает целый каскад процессов. Натрий быстро входит внутрь кардиоцита. Потенциал клетки увеличивается, из отрицательных значений он становится нулевым и даже положительным. После этого, приблизительно через 100-200 миллисекунд, калий выходит из клетки наружу, в межклеточную жидкость. Когда положительные ионы покидают клетку, происходит реполяризация - ее электрический потенциал восстанавливается до нормального и вновь достигает отрицательных значений.

Делая свою работу, клетки миокарда должны сокращаться синхронно - действовать слаженно, как те самые гребцы в лодке. Так и происходит в норме: электрический импульс последовательно передается от клетки к клетке, поочередно запуская в них потенциал действия. Сердечная мышца ритмично сокращается, качая кровь. Откуда возникают импульсы? «Есть специальная область - синусовый узел, небольшой участок в правом предсердии, - рассказывает Рубин Алиев. - В нем рождается электрическая волна». Клетки синусового узла гораздо меньше рабочих кардиоцитов. Но главное их отличие в другом. «Малышкам» вовсе не нужен сосед, чтобы запустить потенциал действия. Ведь они способны генерировать особый ток. «Исследователи сначала называли этот ток funny - «забавный», - говорит Рубин Алиев. - Он ведет себя не так, как другие». В то время как обычные электрические токи возникают при деполяризации, когда кардиоцит выведен из состояния покоя, для возникновения «забавного тока» деполяризация не требуется - он возникает при потенциале минус 60-80 милливольт. А возникая, тут же деполяризует клеточную мембрану и запускает процесс генерации потенциала действия, который затем передается рабочим клеткам миокарда. Ритм этих колебаний в среднем 72 раза в минуту. Так что пульс человека задается синусовым узлом.

Несколько лет назад ученые Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН решили смоделировать функционирование всего лишь одной клетки синусового узла. «Работа была совсем не простая, - говорит заведующий лабораторией биофизики возбудимых сред этого института Александр Медвинский. - Пришлось использовать десятки уравнений и сотни параметров». Например, оказалось, что клетки синусового узла в сердце тоже бывают разные. «Те, что находятся в середине узла, и те, что с краю, разделены расстоянием в 1-2 миллиметра, - объясняет Рубин Алиев. - Они настолько отличаются, что их работу приходится описывать разными дифференциальными уравнениями». Ученые выяснили, что электрический потенциал клетки определяется суммой проходящих через ее мембрану токов. Всего их не менее 15-20, и каждый играет свою роль. Необходимо учитывать и воздействие на токи нейромедиаторов - специальных веществ, выделяемых нервными окончаниями.

Зачем, казалось бы, тратить усилия на воспроизведение того, что уже и так существует в природе? Создав удачную модель, можно не проводить эксперименты на сердце, а заменить их опытами в виртуальной реальности. Это как минимум дешевле и безопаснее. Выгода состоит и в другом. В модели есть возможность варьировать параметры. Поэтому самой близкой задачей математиков стало исследование действия лекарств - виртуальным способом, без участия пациентов.

Под напряжением

Ученые думают и о том, как предотвратить аритмию. До сих пор для борьбы с фибрилляцией врачи используют прибор, пропускающий через сердце большой заряд электротока. Он «сбрасывает» клетки до одного уровня электропотенциала, чтобы потом они вели себя синхронно. Однако порой синхронизация достигается дорогой ценой. «При сильном электрическом разряде гибнет до 10 процентов клеток миокарда, - говорит главный научный сотрудник НИИ трансплантологии и искусственных органов Георгий Иткин. - Поэтому медики давно думают над тем, как уменьшить мощность дефибрилляторов. А сделать это можно, лишь изменив форму электрического импульса». Смоделировав конкретные процессы, происходящие в сердце при аритмии, ученые надеются найти более щадящие способы дефибрилляции. «Мощный разряд действительно опасен, - говорит Сергей Селищев. - Бывают случаи, когда с помощью дефибрилляции ритм удается «запустить», но через 20 минут сердце останавливается навсегда». Одна из идей ученых заключается в том, чтобы использовать «дрейф вихря» - постепенно переместить образующие фибрилляцию спиральные завихрения в такую зону сердца, где они исчезнут сами собой. «Можно создать прибор с обратной связью, действующий в зависимости от того, как у конкретного пациента развивается фибрилляция, - утверждает Рубин Алиев. - В нужные участки сердца в нужные моменты будут подаваться импульсы определенной интенсивности. И орган не пострадает».

Еще одно направление, над которым сейчас работают исследователи многих стран, - оптимизация работы имплантируемых больным аритмией кардиостимуляторов. Обычно прибор подает определенные электрические импульсы в одну или две точки сердца, чтобы сделать его ритм более устойчивым. Однако непонятно, на какие участки сердца лучше подавать сигнал, чтобы оно сокращалось наиболее естественно и эффективно. «Получается так: стимулятор выполняет свою работу, но не может «подстроиться» под разные режимы двигательной активности человека, - говорит Сергей Селищев. - Например, поднимаясь по лестнице, тот может начать задыхаться, потому что пульс не изменился, а нагрузка увеличилась». Моделируя работу сердца, можно подобрать оптимальный режим. Такие работы сейчас ведутся - правда, в основном частными инновационными компаниями.

В том, что рано или поздно все эти задачи будут решены, нет сомнений. Ведь в обиход ученых уже вошло понятие - компьютерный эксперимент. Результаты его признаются такими же достоверными, как и данные реальных тестов в лаборатории. Недаром в дополнение к привычному термину in vitro в словаре ученых появилось новое выражение - эксперимент in silico, то есть воспроизведенный виртуально. Значит, шанс прислушаться к ритму виртуального сердца у нас есть.

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Популярное в рубрике
Яндекс цитирования

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера