محاكاة حاسوبية عملاقة تكشف عن أسباب تطور الرجفان الأذيني

الرجفان الأذيني (AF) هو النوع الأكثر شيوعًا من عدم انتظام ضربات القلب، وبمرور الوقت يمكن أن يتفاقم ويصبح دائمًا - وهو اضطراب خطير وهو السبب الرئيسي الذي يمكن الوقاية منه للسكتة الدماغية الإقفارية، وفقًا للمعهد الوطني للصحة.

يستخدم نيكولاي مويس، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة ولاية أوهايو (OSU)، موارد الحوسبة في المركز الوطني لعلوم الأعصاب (NCSA) ومركز أوهايو للخلايا الجذعية لدراسة التطور طويل الأمد للرجفان الأذيني، على أمل أن يُسهم عمله في تطوير علاجات تُوقف الرجفان الأذيني قبل أن يُصبح حالةً مزمنة. نُشر بحثه مؤخرًا في مجلة JACC : علم وظائف الأعضاء الكهربية السريرية.

الرجفان الأذيني هو نوع من عدم انتظام ضربات القلب، حيث تنبض الأذينان العلويتان للقلب بشكل غير متزامن مع نبضات الأذينين السفليتين. ما يبدأ كظاهرة عرضية يصبح في النهاية ظاهرة دائمة. يصعب إجراء التجارب البشرية بالتفاصيل اللازمة، لذلك يُجري مويس نماذج للعمليات على الكمبيوتر.

قال مويس: "نستخدم نماذج فيزيولوجيا كهربائية القلب لدراسة كيف يُحدث النشاط القلبي قصير المدى (من ميلي ثانية إلى ثانية) تغيرات طويلة المدى في أنسجة القلب (من أيام إلى أسابيع إلى أشهر)". وأضاف: "عمليات المحاكاة التي أجريناها، على حد علمي، هي الأطول حتى الآن: فنحن نمثل ما يصل إلى 24 ساعة من النشاط الكهربائي ثنائي الأبعاد المستمر".

تُمكّن المحاكاة الباحثين من مراقبة جميع جوانب عمل القلب على مدى فترات زمنية طويلة. مع أن القلب قد يبدو بسيطًا نسبيًا، إلا أن إجراء محاكاة بهذا المستوى من التفصيل يتطلب الكثير من العمليات الحسابية.

قال مويس: "تم تشغيل جميع عمليات المحاكاة ثنائية الأبعاد باستخدام كود CUDA على وحدات معالجة الرسومات NCSA وDSP، وهو أمر بالغ الأهمية لدراسة مثل هذه المقاييس الزمنية الطويلة".

تضمنت موارد NCSA التي استخدمناها وحدات معالجة الرسومات NVIDIA المتوفرة عبر Delta. بتشغيل شيفرة CUDA على وحدات معالجة الرسومات NVIDIA، تمكنا من تسريع عمليات المحاكاة لدينا بنحو 250 مرة. وبما أن أطول عمليات المحاكاة التي أجريناها في هذه الدراسة استمرت حوالي أسبوع، فقد استغرقت سنوات على جهاز كمبيوتر شخصي أو محمول عادي.

اكتشف فريق مويس سمة مثيرة للاهتمام في القلب لدى مرضى الرجفان الأذيني. فمع ازدياد معدل ضربات القلب، تتكيف خلايا القلب للحفاظ على توازن الكالسيوم. لكن هذه القدرة المذهلة للخلايا تصاحبها عيب خطير: هذه التكيفات نفسها تجعل القلب عرضة لمزيد من اضطرابات النظم. وهكذا، تنشأ حلقة مفرغة: تتكيف المزيد من الخلايا لموازنة الكالسيوم مع استمرار الحالة، مما يزيد من احتمالية الإصابة باضطرابات النظم، ويؤدي في النهاية إلى عدم انتظام مستمر في ضربات القلب.

يوضح عمل مويس سبب أهمية اكتشاف الرجفان الأذيني مبكرًا ومعالجته للحفاظ على صحة القلب.

قال مويس: "تركز دراستنا على أكثر اضطرابات نظم القلب شيوعًا، وهو الرجفان الأذيني، وهو سبب رئيسي للسكتة الدماغية وارتفاع معدلات الاعتلال والوفيات، من خلال محاكاة حاسوبية للنشاط الكهربائي للقلب". وأضاف: "يتيح لنا هذا العمل تتبع بداية هذا المرض وتطوره على المدى الطويل لأول مرة، مما سيؤدي في النهاية إلى تطوير أدوية أفضل لمنع تطوره أو إيقافه".

من المحتمل أن يُحسّن بحث مويس علاج الرجفان الأذيني بشكل ملحوظ، من خلال منح الأطباء والعلماء منظورًا جديدًا للآليات التي تُؤدي إلى تطوره. قد يُلهم هذا النهج العلماء العاملين في مجالات أمراض القلب وغيرها.

نعتقد أن عملنا يفتح آفاقًا زمنية جديدة في محاكاة فيزيولوجيا كهربية القلب، مُظهرًا أن محاكاة يوم واحد (وحتى أطول) ممكنة تقنيًا، كما قال مويس. وأضاف: "يمكن تطبيق هذا النهج على مجموعة متنوعة من الأمراض، مثل خلل العقدة الجيبية أو اضطرابات نظم القلب الناتجة عن احتشاء عضلة القلب. بالإضافة إلى ذلك، يُسهم هذا العمل بشكل مباشر في تطوير الأبحاث المتعلقة بالرجفان الأذيني، إذ يتيح لأول مرة نمذجة تطوره على المدى الطويل الناتج عن النشاط الكهربائي غير المنتظم، بالإضافة إلى فتح المجال لاختبار علاجات تستهدف آلية التنظيم داخل الخلايا. وأخيرًا، وعلى نطاق أوسع، نأمل أن يُلهم عملنا باحثين آخرين لمواجهة التحديات البيولوجية التي تمتد على فترات زمنية أطول".

في الدراسات المستقبلية، يخطط مويس لتحسين محاكاته لتشمل العلاجات المحتملة، وتعزيز صحة نتائجه بتجارب إضافية. نُشرت أعمال سابقة ذات صلة في مجلة بيوفيزيكال جورنال.