2017 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, 創造工学部, 教授 (90314905)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 分岐 / 交互脈 / 早期後脱分極 |
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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．自動能を生成する部位の心臓数理モデルの解析
昨年度に発見した，「カルシウム依存型カリウムイオン電流のコンダクタンス値（大細胞と小細胞の細胞体）のみを減少させることにより，小細胞の軸索の膜電位のバースト発火持続時間が増加し，かつその期間に大細胞の軸索の膜電位が2度のバースト発火を起こす（小細胞１に対して大細胞が2回のバースト発火）現象」に対して詳細に検討した結果，動物実験との差異が見つかったので解析を再度行った．その結果，動物実験の結果を忠実に再現できるパラメータ（カルシウムイオン電流に関するコンダクタンス）を見出すことができた．更に，波形を再現しただけではなく，細胞外カルシウムイオン濃度を上昇させた場合の動物実験結果とも合致し，交互脈の発生要因を解明することができた．
２．周期刺激を受ける部位の心臓数理モデルの解析
心室筋細胞モデルに周期的な刺激を印加したシステムの解析を行った．L型カルシウムイオン電流コンダクタンス値の上昇により，早期後脱分極（EAD）が発生することが分かった．更に，定常的にEADが発生する前のL型カルシウムイオン電流コンダクタンス値において，EADが過渡状態として発生する現象を発見した．微分方程式の状態変数である細胞内ナトリウムイオン濃度の変化が，他の状態変数に対して非常に遅いことに着目しslow-fast解析を行った結果，ナトリウムイオン濃度が増加する場合はEADが発生し，減少する場合は発生しないことが分かった．
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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
自動能を生成する部位の心臓数理モデルの解析により，カルシウム依存型カリウムイオン電流と過渡的カルシウムイオン電流のコンダクタンス値を変化させることにより，動物実験での小細胞と大細胞の膜電位波形を忠実に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．周期刺激を受ける部位の心臓数理モデルの解析では，早期後脱分極が過渡状態として発生する現象を見出した．通常の解析方法では，過渡現象の解析は非常に困難で全く行われていない，ナトリウムイオン濃度の変化の遅さに着目をしたslow-fast解析を行うことにより，ナトリウムイオン濃度の上昇と下降により接線分岐が発生し，EADが観測されることを明らかにした．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 |
OpenCLを用いた心臓数理モデル・シミュレータの開発では，FPGA単体での構築に成功したので，今後は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．CPUはIntel社，FPGAはAltera社，GPUはAMD社とそれぞれのメーカが異なるので，ドライバやライブラリのインストール等の環境構築を既に行った．今後は，分散処理を効率よく行い高速化を行う．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）自動能を生成する部位の心臓数理モデルを用いて，動物実験で観測されている交互脈以外の不整脈（特に3周期の脈）について，パラメータ空間をつぶさに調査することにより，その発生要因を探る，（２）周期刺激を受ける部位の心臓数理モデルを用いて，L型カルシウムイオン電流コンダクタンス値以外のパラメータ値について，早期後脱分極（EAD）の発生の有無を調査する．特に，過渡的EADの発生について，slow-fast解析を行うことにより発生メカニズムを解明する．
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| Causes of Carryover |
初年度に繰り越した経費（OpenCLに対応したFPGAボードの購入（約100万円）を予定していたが，Altera社のユニバーシティプログラムにより，無償提供された）の残りを次年度に繰り越すことになった．次年度は最終年度であるので，論文投稿代（英文校正代を含む）やwebサーバ構築代（webページ作成費用を含む）を計上し，研究成果を広く公開する．
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