2015 Fiscal Year Research-status Report
心臓興奮伝導系数理モデルの構築と超並列計算による交互脈発生機構の解明
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15K00405
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
北島 博之 香川大学, 工学部, 教授 (90314905)
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2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | システムバイオロジー / 交互脈 / 力学系 / 分岐 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は下記の2点に焦点を絞り，研究を行った．
１．超並列計算手法の開発
OpenCL（Open Computer Language）を用いてFPGA（書き換え可能なLSI）による数値解析を行った．具体的には，非線形システムの解析に必要とされる分岐図と引力圏図を計算するための専用ディジタル回路を開発した．両方の計算においてCPU単体で計算するよりは最大で約20倍の高速化が達成された．実数の表現に関して，単精度型と倍精度型で計算速度と正確性の比較を行い，単精度型で正確性は十分に確保されかつ高速で演算ができることを明らかにした．
２．数理モデルの解析
甲殻類の心臓数理モデルを用いて各種イオン電流のコンダクタンス値の増減が交互脈の発生にどのように寄与するかを調べた．結果として，小細胞の細胞体のカルシウム依存型カリウム電流のコンダクタンス値が減少することにより，小細胞の細胞体の膜電位のバースト発火持続時間が増加することがわかった．更に一時カルシウム電流のコンダクタンス値を変化させることで，ヤドカリを用いた動物実験における電位波形とほぼ同じ波形を得ることができた．上記は単細胞での解析結果であるが，心筋細胞を２個結合した系の解析も行った．２種類の周期倍分岐（対称性保存と対称性破壊）が発生し，対称性保存の分岐では一致性交互脈（concordant alternans）が，対称性破壊の分岐では不一致性交互脈（discordant alternans）が発生することを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
FPGA上でOpenCLを動かすシステムの構築に成功し，プログラムを実行できる環境を構築することができた．更に簡単な数理モデルを用いて，非線形システムの解析に必要とされる分岐図と引力圏図を計算するための専用ディジタル回路を開発した．結果としてCPUを用いた場合よりも高速かつ低消費電力でシミュレーションができることがわかった．心筋細胞数理モデルの解析においては，（１）甲殻類心臓モデルにおいてイオン電流のコンダクタンスを変化させることにより，動物実験で心臓が弱っていく過程の心筋細胞の膜電位波形を再現することができ，動物実験では不可能であるその原因を特定することができた，（２）心筋細胞モデルを2個結合した系において，一致性交互脈より危険度の高い不整脈である不一致性交互脈の発生メカニズムを分岐の観点から明らかにした．以上の理由により，本研究は順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策：OpenCLを用いたFPGA上でのシミュレータの開発では，簡単なシステムについて動作確認を行った．今後は，複雑な関数で記述される心筋細胞モデルを構築する．更に，CPUやGPUなどの異なるプラットフォームを用いた超並列シミュレータの完成を目指す．数理モデルの解析では，下記の２つについて研究を進める：（１）甲殻類心臓数理モデルを用いて，全てのイオン電流の一つ一つについてその変化に伴い心筋細胞の膜電位（筋収縮に対応）がどのように変化するのかを調査する，（２）ラットの心臓数理モデルを用いてQT延長および早期後脱分極（EAD）の発生メカニズムを分岐理論を用いて解明する．数理モデル上で現象の再現を行い，それらの現象のパラメータ（細胞外イオン[ナトリウム，カリウム，塩化物，カルシウムイオン]濃度，イオン電流のコンダクタンス，各種イオン電流の平衡電位，パルス刺激電流の強度や周波数等）依存性を数値分岐解析の手法を用いて正確に調査する．パラメータ依存性が分かれば，どのパラメータがいくらぐらい変化すれば正常な脈に戻るのかがわかるようになる．
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| Causes of Carryover |
OpenCLに対応したFPGAボードとその開発環境の構築のための費用が，アルテラ社のユニバーシティプログラムに加盟することにより，無償提供されたので，そのために用意していた研究費が次年度使用となった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28 年度は，その経費を用いてGPUボードを購入しFPGA, CPUを用いた超並列シミュレータを開発する．
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