Численное моделирование аритмогенных явлений в ткани сердечной мышцы

Автор: Фёдор Александрович Сёмин

Соавторы: Галушка В.А, Цатурян А.К.

Организация: Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Численное моделирование аритмогенных явлений в ткани сердечной мышцы

Данные клинических наблюдений и эксперименты на культурах клеток сердечной мышцы демонстрируют возникновение спиральных волн, имеющих тенденцию к закручиванию вокруг областей миокарда со сниженной проводящей и сократительной способностью. Причиной образования таких волн может служить внепериодическая электрическая стимуляция или повышение частоты стимуляции при одновременном снижении возбудимости миокарда.

 Для изучения этих эффектов применили модель электромеханики миокарда [1], которая детально описывает механику сокращения миокарда и включает упрощённое описание распространения в ней электрического возбуждения и электромеханического сопряжения. Несмотря на простоту электрофизиологического блока модели, не содержащего уравнений для концентрации ионов натрия и калия, модель воспроизводит важные зависимости развиваемой мышцей силы и динамики внутриклеточной концентрации кальция от частоты стимуляции. Важной особенностью модели являлся учёт в ней зависимости скорости проведения возбуждения в ткани от её деформаций. Опытные данные свидетельствуют о том, что в основе такой механо-электрической обратной связи лежит изменение ёмкости клеточных мембран при растяжении клеток.

При постановке задачи рассматривали тонкослойный квадратный образец миокарда, предварительно растянутый на 15 % вдоль направления мышечных волокон, ориентированных вдоль оси абсцисс. Левую и правую границы удерживали упругими связями. Верхняя и нижняя стороны образца, а также его верхняя и нижняя поверхности были свободны от нагрузок. Проводили два типа численных экспериментов: запуск волны вдоль узкой невозбудимой и непроводящей области, имитирующей поражённый участок миокарда, и запуск спиральных волн с помощью повторного стимула, подаваемого сразу после прохождения первой волны, с последующим закручиванием волн вокруг невозбудимой области, расположенной в центре образца.

Расчёты демонстрируют отрыв волн от «поражённых» областей при высокой частоте стимуляции (или частоте вращения спиральных волн) и сниженной возбудимости ткани. При некоторых условиях отрыв волн прекращался при «отключении» в модели механо-электрической обратной связи. Проведённые исследования показывают, что наша новая модель электромеханики миокарда описывает важные аритмогенные эффекты, наблюдаемые в клинической практике, и свидетельствуют о важности учёта в модели обратной связи для корректного описания распространения волн электрического возбуждения в миокарде в норме и при патологиях.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 20-74-00046.

 

1.Syomin F., Osepyan A., Tsaturyan A. Computationally efficient model of myocardial electromechanics for multiscale simulations // PloS ONE. 2021. V. 16 (7), e0255027.