Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Хотя оно весит менее фунта, ваше сердце ежедневно пропускает более 6000 л крови и ему хватит мощности, чтобы вызвать кровавый фонтан, если вам не повезет получить ранение в артерию. Оно также имеет определенную степень автономии. Доисторические охотники обнаружили, что сердцу не нужно, чтобы тело сообщало ему, когда качать кровь: если удалить у животного сердце, некоторое время оно будет продолжать биться. Сто лет назад французский хирург, нобелевский лауреат и биолог Алексис Каррель (1873–1944) показал, что сердечная ткань цыпленка, питаемая плазмой крови, способна пульсировать в течение нескольких месяцев[404].

Перекачивающая способность сердца зависит от скоординированного сокращения его четырех камер, а оно, в свою очередь, зависит от ритмических электрических импульсов. Каждое сжатие регулируется специализированными мышечными клетками, обнаруженными в скоплении ткани в правой верхней камере органа (предсердии), также известном как синусовый узел (синоатриальный узел, или СА-узел), который посылает сигнал стимулирования ритма, являющийся предметом изучения самых первых моделей сердца. Сигнал проходит по проводящим путям, чтобы сначала стимулировать две верхние камеры сердца (предсердия), когда импульс проходит от синусового узла к атриовентрикулярному узлу (также называемому АВ-узлом). Там импульсы ненадолго замедляются, а затем распространяются по «пучку Гиса» (пучку волокон сердечной мышцы, названному в честь кардиолога швейцарского происхождения), который разделяется на правый и левый проводящие пути, называемые ножками, для стимуляции нижних камер сердца (желудочков) посредством тонких нитей, известных как волокна Пуркинье (названы в честь чешского анатома, который, среди прочего, помог установить уникальность отпечатков пальцев).

Стенки сердца расширяются при притоке крови (диастола) и снова сжимаются при оттоке (систола). Общее движение вызывается миллионами крошечных сокращающихся единиц внутри мышечных волокон – саркомеров – молекулярных механизмов, образующих мельчайшие функциональные единицы скелетных и сердечных мышц. Они наполнены тесно взаимодействующими белками, в частности титином, самым крупным белком в организме человека, наряду с актином и миозином.

Когда мышца приводится в движение, миозиновые «моторы» движутся по актиновым дорожкам, сближая соседние саркомеры[405]. Это скольжение нитей актина и миозина создает достаточную силу для перекачивания крови. Между тем белковый каркас титина работает как пружина, развивая восстанавливающую силу при растяжении саркомеров, как резинки.

Если мы хотим создать цифровую симуляцию сердца, двойник должен уловить, как ритм возникает из множества подергивающихся клеток сердечной мышцы, белковых машин, которые помогают сокращать каждую клетку, электрических волн, вызывающих сжатие сердечной ткани и организованный выброс ионов (электрически заряженных атомов) внутрь и наружу клеток, а также результирующих приливов крови через четыре камеры сердца.

Краткая история виртуальных сердец

У человеческих эмбрионов сердце является первым функционирующим органом – оно развивается и начинает биться уже через четыре недели после зачатия[406]. Попытки смоделировать человеческое сердце на компьютере заняли гораздо больше времени, целых полвека – с появления модели Ходжкина – Хаксли.

Для создания алгоритмов моделирования сердца используются различные способы включения данных о пациентах. Сканирование сердца можно оцифровать в виде полигональной сетки, когда для определения формы объекта используется набор вершин, ребер и граней. Таким образом, структуру и форму сердца можно нарисовать в виде сетки, обеспечив каркас для моделей сердечных клеток, о которых шла речь в третьей и пятой главах.

Однако вместо того, чтобы моделировать отдельные клетки, что требует слишком больших вычислительных мощностей, разработчики начинают с блоков клеток, эквивалентных небольшим кусочкам сердечной ткани, – знакомый подход, используемый инженерами, проектирующими автомобили, мосты, самолеты и многое другое – «метод конечных элементов»: сплошной материал, будь то плоть или балка, рассматривается как совокупность небольших областей (конечных элементов), связанных между собой точками (узлами) на границах. Таким образом, геометрию сложного объекта, такого как сердце (или даже автомобиль), можно разделить на более мелкие задачи, которые легче решить.