Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Кардиология

Рассмотрены самые общие постановки задач. Для специалистов в кардиологии и нейрофизиологии может быть интересным посмотреть список наших работ.


 

Кардиология: мотивы.

Сопоставление нескольких фактов обуславливает выбор предмета изучения:

  1. Сердечно-сосудистые заболевания – главная причина смертности в развитых странах, в России.
  2. В генерации ритма сердца можно вычленить электрическую составляющую и изучать ее, опираясь на ясные физические законы.
  3. Ряд опасных сердечных заболеваний: аритмии, фибрилляции – электрические явления. Основные механизмы заболеваний могут быть описаны с точки зрения электродинамики.
  4. Механизмы генерации электричества клетками, кардиомиоцитами, достаточно подробно изучены, что позволяет создавать компьютерные модели электрической активности клеток.

 

Три составные части модели электрической активности миокарда
Три составные части модели электрической активности миокарда: (1) модели генерации потенциала действия кардиомиоцитом (слева, схематически представлены модели аксиоматическая, ФХН, ионная), (2) модели электрического контакта между клетками (середина: кабельное уравнение, двухкомпонентная схема, реалистичная динамика щелевых контактов), (3) геометрия модельной среды (справа: 2 D , 3 D , реалистичная геометрия сердца).

 

Основной акцент в нашей работе сделан на детальном компьютерном моделирование электрической активности сердца. Поскольку эксперименты с сердцем человека, да и животных, трудоёмки, дороги и не всегда оправданы с точки зрения этики, выбор компьютерного моделирования в качестве инструмента исследования вполне оправдан. Более того, некоторые задачи (например, неинвазивное картирование трансмурального проведения, измерение динамики сразу нескольких мембранных токов и др.), не имеют экспериментального решения.

 

Кардиология: детали.

Мы используем современные детальные компьютерные модели электрической активности в кардиомиоцитах и распространения возбуждения в синцитии миокарда. Акцент в работе сделан на моделировании процессов формирования ритма в сердце, ритмогенеза в синоатриальном узле. Для клеток и ткани синоатриального узла нами разработана модель, значения параметров которой основаны на экспериментальных данных. В целом модель для исследования нестационарного распространения возбуждения в СУ состоит из двух основных элементов. Во-первых, это модель одиночных клеток – водителей ритма. Эта модель позволяет подробно, с точностью до милливольт, описывать динамику трансмембранного потенциала, а также пятнадцати основных мембранных токов, учитывает изменения внутриклеточной концентрации ионов Na, K, Ca во время цикла активности, буферизацию кальция тропонином, кальмодулином, кальсеквестрином, функцию саркоплазматического ретикулума (захват кальция SERCA-2 насосом, его перераспределение внутри СР, высвобождение через рианодиновые рецепторы), изменения в клетках при воздействии АЦХ (модификацию мускаринового калиевого тока, кальциевых токов, активируемого при гиперполяризации тока), функциональные различия клеток истинных и латентных водителей ритма. При моделировании стимуляции блуждающих нервов учитывается выделение АЦХ из нервных окончаний, его диффузия в межклеточном пространстве и взаимодействие с холинэстеразой. Во-вторых, модель учитывает связь между клетками через щелевые контакты и влияние токов через щелевые контакты на формирование потенциала действия.

 

Cхема мембранных и внутриклеточных токов детальной модели клеток синоатриального узла
Cхема мембранных и внутриклеточных токов детальной модели клеток синоатриального узла. Сокращения: INa – натриевый ток, ICa,T, ICa,L – кальциевые токи Т и L типа, If – активируемый при гиперполяризации ток, Ibg – фоновый ток, IKr, IKs – быстрый и медленный калиевые токи задержанного выпрямления, Ito, Isus – компоненты чувствительного к 4-AP тока, IKach – активируемый АЦХ калиевый ток, INaK – Na-K насос, INaCa – Na-Ca обменник, ICap – Ca насос; Irel – рианодиновый кальциевый ток, Iup – SERCA насос, Itr – кальциевый ток внутри СР; NSR и JSR - сетевой СР и терминальные цистерны СР; TC, TMC, CM, CQ – тропонин, тропонин-Mg сайты, кальмодулин, кальсеквестрин.

 

Экспериментальная запись и результат моделирования вагусного торможения в клетке-водителе ритма синоатриального узла кролика
Экспериментальная запись (вверху) и результат моделирования (внизу) вагусного торможения в клетке-водителе ритма синоатриального узла кролика. Проиллюстрировано сравнение экспериментально измеренного и полученного в расчётах потенциала действия. Видно, что модель способна воспроизводить потенциал действия с точностью, сравнимой с экспериментальной, оправдывая прилагательное «детальная» в своём названии.

 

Обнаруженный нами сдвиг фазы колебаний в парах клеток синоатриального узла побуждает вопрос: а будут ли колебания синхронны в синоатриальном узле, содержащем несколько десятков тысяч клеток? Вопрос фундаментальный: работает ли синоатриальный узел как единое целое при генерации ритма сердца, либо он разбит на участки, ведущие центры, в которых зарождаются колебания, конкурируя между собой? Компьютерное моделирование позволяет преодолеть ограниченность экспериментальных методик и не только подтвердить наблюдения, но и установить: каким образом зарождаются ведущие центры в синоатриальном узле и как они взаимодействуют между собой, формируя единый ритм сердца.

Ещё одно направление исследования нарушений формирования ритма – микроциркуляция возбуждения в пределах синоатриального узла. Это необычное явление, в англоязычной литературе называется reentry, реентри. Известно, что в рабочем миокарде, желудочке и в предсердиях, реентри является предвестником и провокатором опаснейших аритмий – фибрилляций.

Недавно с помощью детальной математической модели ткани синоатриального узла нам удалось найти параметры, при которых возникает микроциркуляция в пределах синоатриального узла. Оказалось, что динамика реентри в синоатриальном узле и его влияние на миокард предсердий носит очень сложный характер. Аналогично реентри в рабочем миокарде, в синоатриальном узле реентри вращаются вокруг ядра, области, в которой амплитуда колебаний мембранного потенциала меньше, чем в прилегающей ткани.

 

Ядро реентри в синоатриальном узле.

Ядро реентри в синоатриальном узле.


В целом же динамика в синоатриальном узле оказалась намного сложнее динамики, наблюдаемой для подобных структур в желудочках и предсердиях. В качестве примера на рисунке показаны хронотопографические карты распространения возбуждений и взаимодействие синоатриального узла, в котором вращается реентри, и предсердий.   

 

Хронотопографические карты нестационарного вращения реентри в синоатриальном узле
Хронотопографические карты нестационарного вращения реентри в синоатриальном узле (круг в центре), окружённом миокардом правого предсердия. Числа на изолиниях – время возбуждения соответствующей области. Черным обозначена зона функционального блока на границе синоатриального узла. Видно, что колебания рождаются в синоатриальном узле (а), но затем из-за сложной динамики реентри, волна возбуждения ретроградно проникает из предсердной ткани в синоатриальный узел (в), что приводит к реентри, фибрилляции предсердий (г).
Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика