导语


心脏作为生物学领域跨尺度研究的核心对象，系统展现了从离子通道行为到全心脏动态的复杂多样性。本期「生命复杂性：生命复杂系统的构成原理」读书会我们邀请到加州大学洛杉矶分校 David Geffen 医学院与鹏城实验室博士后潘静武来分享，探索如何通过多尺度建模，连接分子、细胞和组织的动力学过程，深入揭示钙火花、钙波等核心现象的机制。我们将讨论这些模型如何为理解心律失常等疾病机制提供新视角，并探讨数字孪生技术在个性化医疗中的潜在应用，展现心脏科学从微观到宏观的创新路径。读书会将于本周六上午9:00-11:00进行，欢迎感兴趣的朋友报名参与！





内容简介




此次分享以“多尺度心脏数字孪生”为主题，详细介绍了心脏多尺度建模与仿真技术的背景、方法及应用。内容涵盖从单细胞水平到器官和人体系统的多尺度建模，展示了利用高性能计算和仿真技术研究心脏生理及病理过程的最新成果。报告还探讨了触发性活动引发的心律失常机制、药物毒性评估及临床治疗优化等领域的研究进展，展示了平台在药物研发、疾病诊断与治疗指导中的应用潜力。




内容大纲




背景介绍

  • 心脏建模的重要性及研究背景

  • 心脏疾病的临床现状及治疗手段

多尺度建模与仿真方法

  • 微观至宏观的多尺度信息抽取策略

  • 单细胞膜电位仿真及 T 管网络建模

  • 心脏组织及器官建模技术

  • 仿真性能优化与计算资源需求

典型应用示例

  • 触发性活动（EAD 和 DAD）及其导致的心律失常仿真

  • 基于仿真的药物心脏毒性评估

  • 心电图仿真与治疗效果指导

  • 成纤维细胞与心肌细胞耦联机制研究

阶段性成果

  • 多模态仿真数据生成

  • 针对心脏疾病的优化治疗建议

总结与展望

  • 当前平台的应用方向

  • 未来发展目标及技术挑战




核心概念




心脏多尺度建模（Multiscale Cardiac Modeling）：从单细胞到整体器官的层次化建模方法（A hierarchical modeling approach ranging from single cells to whole organs）
机电耦合（Electromechanical Coupling）：描述细胞电活动与机械收缩的耦合作用（Describes the coupling between electrical activity and mechanical contraction in cells）
触发性活动（Triggered Activity）：EAD 和 DAD 引发的室性早搏及心律失常（Premature ventricular contractions and arrhythmias caused by EAD (Early Afterdepolarization) and DAD (Delayed Afterdepolarization)）
药物毒性评估（Drug Toxicity Assessment）：通过仿真技术预测药物的心脏毒性（Predicting cardiotoxicity of drugs using simulation technologies）





主讲人




潘静武，博士后，现任职于 UCLA David Geffen 医学院，同时受聘于鹏城实验室，主要研究方向为心脏电生理多尺度建模与深度学习算法应用。隶属于宋震团队，参与虚拟人体应用研究，致力于攻克心脏多尺度建模中的关键科学难题。潘静武博士具有力学专业背景，擅长非线性动力学、多尺度建模及高性能计算，在复杂生物系统建模领域表现突出。




参与方式




时间：12月28日（周六）上午9:00-11:00

报名参与读书会：

斑图链接：https://pattern.swarma.org/mobile/study_group_issue/837?from=wechat


扫码参与「生命复杂性」读书会，加入群聊，获取系列读书会回看权限，加入生命复杂性社区，与社区的一线科研工作者沟通交流，共同推动这一前沿领域的发展。


报名成为主讲人
读书会成员均可以在读书会期间申请成为主讲人。主讲人作为读书会成员，均遵循内容共创共享机制，可以获得报名费退款，并共享本读书会产生的所有内容资源。
详情请见：生命复杂性读书会：从微观到宏观，多尺度视角探索生命复杂系统的构成原理




参考文献




[1] Qu, Zhilin, et al. Multi-scale modeling in biology: how to bridge the gaps between scales?. Progress in biophysics and molecular biology 107.1 (2011): 21-31. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079610711000514

[2] Qu, Zhilin, Dasen Yan, and Zhen Song. Modeling Calcium Cycling in the Heart: Progress, Pitfalls, and Challenges. Biomolecules 12.11 (2022): 1686. https://www.mdpi.com/2218-273X/12/11/1686

[3] Song, Zhen, Zhilin Qu, and Alain Karma. Stochastic initiation and termination of calcium-mediated triggered activity in cardiac myocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences 114.3 (2017): E270-E279.

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.1614051114

[4] Qu, Z., Hanna, P., Ajijola, O. A., Garfinkel, A. & Shivkumar, K. Ultrastructure and cardiac impulse propagation: scaling up from microscopic to macroscopic conduction. J. Physiol. n/a, (2024).

[5] Tsumoto, K. et al. Specific decreasing of Na+ channel expression on the lateral membrane of cardiomyocytes causes fatal arrhythmias in Brugada syndrome. Sci. Rep. 10, 19964 (2020).

[6] Wang, Y. et al. Fibroblasts in heart scar tissue directly regulate cardiac excitability and arrhythmogenesis. Science 381, 1480–1487 (2023).

[7] Bers, D. M. Cardiac excitation-contraction coupling. Nature 415, 198–205 (2002).

[8] Song, Z., Ko, C. Y., Nivala, M., Weiss, J. N. & Qu, Z. Calcium-Voltage Coupling in the Genesis of Early and Delayed Afterdepolarizations in Cardiac Myocytes. Biophys. J. 108, 1908–1921 (2015).



生命复杂性读书会：

生命复杂系统的构成原理


在生物学中心法则的起点，基因作为生命复杂系统的遗传信息载体，在生命周期内稳定存在；而位于中心法则末端的蛋白质，其组织构成和时空变化的复杂性呈指数式增长。随着分子生物学数十年来的突飞猛进，尤其是生命组学（基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等的集合）等领域的日新月异，当代生命科学临近爆发的边缘。如此海量的数据如何帮助我们揭示宇宙中最复杂的物质系统——“人体”的构成原理和设计原理？阐释人类发育、衰老和重大疾病的发生机制？


集智俱乐部联合西湖大学理学院及交叉科学中心讲席教授汤雷翰，国家蛋白质科学中心（北京）副研究员常乘、李杨，香港浸会大学助理教授唐乾元，北京大学前沿交叉学科研究院研究员林一瀚，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士后唐诗婕，共同发起「生命复杂性：生命复杂系统的构成原理」读书会，从微观细胞尺度、介观组织器官尺度到宏观人体尺度，梳理生命科学领域中的重要问题及重要数据，由生物学家提问，希望促进统计物理、机器学习方法研究者和生命科学研究者之间的深度交流，建立跨学科合作关系，激发新的研究思路和合作项目。读书会目前共进行10期，现在报名参与读书会可以加入读书会社群，观看视频回放，解锁完整读书会权限。


详情请见：

生命复杂性读书会：从微观到宏观，多尺度视角探索生命复杂系统的构成原理



点击“阅读原文”，报名读书会