arXiv 1807.045462018-07-12physics.bio-phq-bio.TO

心脏组织数学模型中离子异质性诱导的螺旋波和涡旋波turbulence

Ionic-heterogeneity-induced spiral- and scroll-wave turbulence in mathematical models of cardiac tissue

Soling Zimik, Rupamanjari Majumder, Rahul Pandit

摘要：

心脏组织的电特性的空间变化可由于心脏疾病而发生。我们引入这样的梯度到心脏组织的数学模型，然后研究，通过广泛的数值模拟，他们的影响折返电波和他们的稳定性在两个和三个维度。我们解释了螺旋和涡旋波的不稳定性，这需要各向异性变薄的波的波长，因为在其电气性能的各向异性变化的机制。

英文摘要：

Spatial variations in the electrical properties of cardiac tissue can occur because of cardiac diseases. We introduce such gradients into mathematical models for cardiac tissue and then study, by extensive numerical simulations, their effects on reentrant electrical waves and their stability in both two and three dimensions. We explain the mechanism of spiral- and scroll-wave instability, which entails anisotropic thinning in the wavelength of the waves because of anisotropic variation in its electrical properties.

机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。

阅读原文

阅读 PDF ↗

arXiv 页面 ↗HTML 原文 ↗

本文内容

摘要英文摘要相关论文

机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。

继续探索

相关论文

猪心解剖学上真实数学模型中存在离子和传导不均匀性时的涡卷波动力学

Scroll-wave dynamics in the presence of ionic and conduction inhomogeneities in an anatomically realistic mathematical model for the pig heart

反应扩散（RD）类型的非线性波出现在许多生物物理系统中，包括心脏，在心脏中它们启动心脏收缩。这种波可以形成称为涡卷波的漩涡，导致危及生命的心律失常的发作。涡卷波的动力学受不均匀性的存在的影响，不均匀性以非常一般的方式可以是\textit{(i)}离子型，即，它们影响反应部分或\textit{(ii)}传导类型，即，它们影响RD方程的扩散部分。我们演示，第一次，通过使用一个国家的最先进的，解剖学上逼真的模型，猪心，如何在几何和生物物理性质的差异，这种不均匀性可以影响涡旋波动力学以不同的方式。我们的研究表明，传导型不均匀性在小长度尺度上变得越来越重要，即，在空间中的多个随机分布的障碍物的情况下，在细胞尺度（$0.2-0.4{\rm mm}$）上。这样的配置可以导致涡卷波破裂。与此相反，离子的不均匀性，影响涡旋波动力学显着在大的长度尺度，当这些不均匀性是本地化的空间在组织水平（$5-10$ mm）。在这样的结构中，这些不均匀性可以（a）通过将涡旋波钉扎到不均匀性上来吸引涡旋波，或者（b）导致涡旋波分裂。

2016-10-12physics.bio-phq-bio.TO

各向异性心肌组织中wave fronts和细丝的动力学

Dynamics of wave fronts and filaments in anisotropic cardiac tissue

心跳是通过电去极化波在心脏细胞之间介导的。在心律失常，电活动被发现组织在滚动波旋转周围的动态灯丝曲线。在这篇论文中，一个曲空间的方法被用来数学地捕捉波传播的各向异性。本文首次导出了心脏组织等各向异性可激发介质中行波波前和涡卷波丝运动的协变规律。我们发现，局部变化的各向异性产生非零的黎曼张量分量，这可能会改变涡卷波丝的稳定性。涡卷波丝的不稳定性与室性心动过速向室颤的转变有关。

2015-11-11physics.bio-ph

心脏组织中螺旋波和涡旋波turbulence的统计特性

The statistical properties of spiral- and scroll-wave turbulence in cardiac tissue

心脏电活动紊乱会导致心脏性猝死。这种电湍流在多大程度上可以被看作是经典流体湍流，这是现代物理学中的一个重要中心问题？我们调查，第一次，通过广泛的DNSs，螺旋和涡旋波湍流的统计特性，在二维和三维可激发介质中使用的方法在经典湍流的研究。我们使用Panfilov和Aliev-Panfilov数学模型的心脏组织。我们发现，一旦电波湍流已经启动，有一个向前的级联，其中螺旋或涡卷的形式，相互作用，并打破产生一个湍流状态，统计稳定，远离边界，是统计均匀和各向同性。对于定义我们模型的跨膜电位$V$和慢恢复变量$g$，我们定义了$E_V(k)$和$E_g(k)$，流体湍流中流体能谱$E(k)$的电波模拟物。我们发现，$E_V(k)$和$E_g(k)$是分散在几十年的$k$。因此，螺旋波和涡旋波湍流涉及很宽的空间尺度。在$k$的某些范围内，$E_V(k)$和$E_g(k)$显示近似的幂律，然而，它们的指数不能像它们的流体湍流对应物那样精确地确定。无量纲比$L/λ$是一个方便的控制参数，如流体湍流的雷诺数，其中$L$是域的线性尺寸，$λ$是介质中平面波的波长。通过比较其他几个螺旋和涡卷波湍流与流体湍流的统计特性，我们表明，虽然螺旋和涡卷波湍流有一些统计特性一样的流体湍流，总的来说，这些类型的湍流是特殊的，不同的重要方式从流体湍流。

2017-05-28physics.bio-ph

成纤维细胞密度梯度存在时螺旋波和涡卷波的不稳定性：成纤维细胞-肌细胞偶联的影响

Instability of spiral and scroll waves in the presence of a gradient in the fibroblast density: the effects of fibroblast-myocyte coupling

成纤维细胞-肌细胞偶联可以调节心脏组织中的电波动力学。在患病的心脏中，成纤维细胞的分布是不均匀的，因此成纤维细胞密度（此后我们称之为GFD）可能存在梯度，特别是从高度损伤的区域（如梗塞或缺血区）到组织的创伤较小的区域。已知纤维化心脏易于发生心律失常，因此了解GFD在心脏折返波（如螺旋波或涡卷波）的形成和维持中的作用非常重要。因此，我们调查的影响，GFD的螺旋和涡卷波的电激活的稳定性，在一个国家的最先进的数学模型的心脏组织，其中我们还包括成纤维细胞。通过以受控方式引入GFD，我们表明，螺旋波和涡旋波可以是不稳定的GFD的存在下，因为不同的螺旋或涡旋波频率ω的区域，由GFD诱导。我们研究了成纤维细胞的静息膜电位和附着在肌细胞上的成纤维细胞的数量对这些波的稳定性的影响。最后，我们表明，GFD的存在下，可以导致在高频起搏螺旋波的形成。

2016-09-09physics.bio-phq-bio.TO

用虚丝研究扭曲和弯曲涡卷波的有效动力学

Effective dynamics of twisted and curved scroll waves using virtual filaments

涡卷波是一种围绕中心灯丝曲线旋转的三维激发模式;它们出现在许多物理、生物和化学系统中。我们明确地推导出运动方程的涡卷波丝在反应扩散系统各向同性扩散到三阶丝的扭曲和曲率。净漂移分量在每个时刻定义接近瞬时灯丝的虚拟灯丝。重要的是，虚丝服从更简单的，与时间无关的运动定律，我们在这里解析推导，并说明与数值例子。涡卷波的稳定性分析使用虚拟长丝，显示长丝曲率和扭曲添加作为二次项的名义长丝张力。振荡化学反应和心脏组织的应用进行了讨论。

2013-11-12cond-mat.softphysics.bio-phq-bio.TO

在折返的一维心脏离子模型中双刺激协议后交替放大：从湮灭到双波准周期折返

Alternans amplification following a two-stimulations protocol in a one-dimensional cardiac ionic model of reentry: from annihilation to double-wave quasiperiodic reentry

电起搏是在实验和临床环境中用于研究和/或消除解剖折返的常见程序。在最近的一项研究中[Comtois and Vinet，Chaos 12，903（2002）]，发现了使用仅由两个刺激组成的简单协议来终止一维再入的新方法。通过这些新的方案，湮灭再入活动的概率比通常的局部单向块的概率大得多。本文是以前研究的一个扩展，其中的新的方案的湮灭路径长度的敏感性进行了研究。由此可见，再入可以停止在一个有限的时间间隔的路径长度和增加的长度超过这个时间间隔的上限产量过渡到持续的双波再入。一个类似的动力学机制，标记交替放大，被认为是负责这两种行为。

2003-10-07physics.bio-phq-bio.TO

更多相关论文收起更多论文

Dreaming of Electrical Waves: 基于扩散模型的心脏兴奋波生成建模

Dreaming of Electrical Waves: Generative Modeling of Cardiac Excitation Waves using Diffusion Models

Cardiovascular Research Institute, University of California, San Francisco（加州大学旧金山分校心血管研究所）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Division of Cardiology, University of California, San Francisco（加州大学旧金山分校心脏病学部）

本研究探索用去噪扩散概率模型生成心脏电波模式，可实现螺旋波的生成、演化、修复及三维重建等任务，效果接近生物物理模型，但存在数据不足时产生伪影的问题。

2024-06-03cs.CVeess.IVphysics.bio-ph

不均匀性对犬心室组织解剖学数学模型中涡旋波动力学的影响

The effects of inhomogeneities on scroll-wave dynamics in an anatomically realistic mathematical model for canine ventricular tissue

室性心动过速（VT）和心室颤动（VF）是致命的心律失常，与心脏异常电涡卷波的发生有关。鉴于成像和探测的技术限制，心脏组织内这些波的原位可视化仍然是一个挑战。因此，我们必须，perforce，依赖于在计算机模拟的滚动波的数学模型的心脏组织，以发展这些波在哺乳动物心脏的动力学的理解。我们使用直接数值模拟的Hund-Rudy-Dynamic（HRD）模型，犬心室组织，检查电涡卷波和传导和离子不均匀性之间的相互作用，在解剖学上逼真的犬心室几何形状与肌肉纤维结构。我们发现，毫米大小的，分布式的，传导不均匀性导致大幅减少的涡卷波长，从而增加的概率波破裂;相比之下，单一的，局部的，中等大小（$\simeq $ cm）的传导不均匀性，表现出潜在的抑制波破裂或使波碎片的自组织成稳定的，完整的涡卷。我们发现，离子的不均匀性，无论是分布或本地化，抑制涡旋波打破了。一个稳定的旋转波的动力学不受这种不均匀性的显着影响，除了在高浓度的分布不均匀性，这可能会导致涡卷波的部分破碎。我们的研究结果表明，犬心室组织中的不均匀性比猪心室组织中的不均匀性更不容易发生脑血管病，早期的计算机模拟研究表明，不均匀性引起的涡卷波抑制是罕见的。

2020-11-02nlin.CDphysics.bio-phphysics.med-ph

Hodgkin-Huxley和Markov态形式化钠通道在人体心脏组织数学模型中波动动力学的比较

Comparisons of wave dynamics in Hodgkin-Huxley and Markov-state formalisms for the Sodium (Na) channel in some mathematical models for human cardiac tissue

我们比较和对比螺旋和涡旋波动力学在五个不同的数学模型的心脏组织。第一个是TP 06模型，由于Tusscher和Panfilov的10个，它基于Hodgkin-Huxley形式主义;其余四个是马尔可夫状态模型，MM 1 WT和MM 2 WT，用于野生型（WT）Na通道，MM 1 MUT和MM 2 MUT，用于突变型Na通道。我们的研究结果是基于广泛的直接数值模拟波的电激活在这些模型中，在二维和三维（2D和3D）均匀的模拟域，也在域与本地化的异质性，无论是障碍物与随机分布的不可兴奋区域或突变细胞在野生型背景。我们的研究揭示了螺旋波和涡旋波动力学对这五种模型和定义它们的参数的敏感依赖性。我们还探讨了控制螺旋波湍流在这些模式。

2018-11-23physics.bio-ph

心脏电交替模型中混沌与多周期动力学的共存

Coexisting chaotic and multi-periodic dynamics in a model of cardiac alternans

心脏组织的时空动力学是生物学家、物理学家和数学家的一个活跃研究领域。特别令人感兴趣的是研究倍周期分岔和混沌，因为它们与心脏血管生成有关。在本文中，我们研究了最近开发的钙驱动的交替在一维电缆的组织模型的时空动力学。特别是，我们观察到在电缆共存的区域在很宽的参数范围内的混沌和多周期动力学。我们使用全局和局部李雅普诺夫指数和空间轨迹相关性来研究这些动力学。有趣的是，在节点附近-或相位反转-低周期性动力学占主导地位，而远离节点的动力学往往是高周期性的，最终是混沌的。最后，我们表明，类似的共存的多周期和混沌动力学也可以观察到一个详细的离子模型。

2014-10-18math.DSnlin.CDphysics.bio-ph

心房组织渐近模型中兴奋传播和阻断的条件

Conditions for propagation and block of excitation in an asymptotic model of atrial tissue

详细的心肌细胞离子模型是很难进行数值模拟，因为它们由大量的方程和包含的小参数。然而，小参数的存在，可用于渐近减少的模型。早期的结果表明，心脏方程的渐进性是非标准的。在这里，我们应用这样一种新的渐近方法的离子模型的人类心房组织，以获得减少，但准确的模型的兴奋前线的描述。心房组织中螺旋波的数值模拟表明，传播动作电位的波前破裂和自我终止。我们的模型，特别是，产生一个简单的分析标准的传播块，这是类似的目的，但完全不同的性质的“麦克斯韦规则”的FitzHugh-Nagumo型模型。我们的新准则同意直接数值模拟的破碎的重入波。

2005-12-08physics.bio-ph

基于深度学习的机械变形心脏兴奋波模式的逆机电重建

Inverse Mechano-Electrical Reconstruction of Cardiac Excitation Wave Patterns from Mechanical Deformation using Deep Learning

心脏电生理学中的逆机械-电问题是试图从响应于电激励而发生的心脏的机械变形来重建电激励或动作电位波模式。由于心肌细胞在电激励时由于兴奋-收缩耦合机制而收缩，因此心脏的所得变形应反映宏观动作电位波现象。然而，宏观的电气和机械现象之间的关系是否是明确的，而且是唯一的，足以用于逆成像技术，其中机械激活映射被用作替代电气映射，还有待确定。在这里，我们提供了一个数值原理证明，即深度学习可用于解决收缩心脏壁的现象学二维和三维计算机模拟中的逆机电问题，或者在具有肌纤维各向异性的弹性可兴奋介质中。我们训练了一个卷积自动编码器神经网络，以学习在局灶性或重入性混沌波活动期间电激励、主动应力和组织变形之间的复杂关系，并因此使用该网络成功地从片状和块状组织的机械变形中估计或重建电激励波模式，即使在存在噪声和低空间分辨率的情况下。我们证明，即使是复杂的三维电激励波的现象，如涡卷波和他们的涡丝，可以计算非常高的重建精度约95%的机械变形，使用自动编码器神经网络，我们提供了一个比较与以前获得的结果与物理或知识为基础的方法。

2021-11-09eess.IVphysics.bio-ph

ATP诱导的心肌和骨骼肌肌球蛋白溶液微粘弹性的重构

ATP-induced reconfiguration of the micro-viscoelasticity of cardiac and skeletal myosin solutions

本研究利用光镊干涉测量术发现加入MgATP后心肌和骨骼肌肌球蛋白悬浮液微力学特性发生根本变化，揭示了能量转导与肌球蛋白舒张状态的关系及其在肌病和生物材料工程中的潜在价值。

2024-10-12cond-mat.softphysics.bio-ph

超越可兴奋细胞的生物电接口：癌症、衰老与基因表达调控

Bioelectrical interfaces beyond excitable cells: cancer, aging, and gene expression modulation

Boston Children’s Hospital（波士顿儿童医院）；Harvard Medical School（哈佛医学院）；University of Oxford（牛津大学）；University of Southampton（南安普顿大学）；Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；EPFL（洛桑联邦理工学院）；Imperial College London（帝国理工学院）；University of Aveiro（阿威罗大学）；University of Nottingham（诺丁汉大学）；Instituto Superior Técnico, University of Lisbon（里斯本大学高等技术学院）；University of Birmingham（伯明翰大学）；Tufts University（塔夫茨大学）；Wyss Institute for Bioinspired Engineering at Harvard University（哈佛大学威斯仿生工程研究所）

本文综述了非兴奋细胞中生物电信号在癌症、衰老和基因表达调控中的作用，并探讨了先进生物电接口技术如何为这些领域提供新见解和干预手段。

2026-06-12physics.bio-phq-bio.CBq-bio.QM