Теперь мы можем начать думать о том, как соединить виртуальное сердце с цифровыми двойниками артерий и вен и более тонкими трубопроводами, составляющими сердечно-сосудистую систему. В 1950-х гг. американский физиолог Артур Гайтон (1919–2003) изучал сердце и его связь с периферическим кровообращением, бросая вызов общепринятому мнению, согласно которому только сердце контролирует сердечный выброс. Полученную в результате модель Гайтона можно рассматривать как первую интегрированную математическую модель физиологической системы «всего тела», раскрывающую взаимосвязь между кровяным давлением и балансом натрия, а также центральную роль почек в контроле кровяного давления. В одном недавнем исследовании, проведенном Рэндаллом Томасом из Университета Париж-Юг в Орсе, модель была протестирована на популяции из 384 000 виртуальных людей (некоторые страдали виртуальной гипертонией), чтобы получить представление о многоуровневых взаимодействиях между почками и сердцем и отточить методы лечения[444].

Однако воссоздать необычайную сложность реальной системы кровообращения гораздо труднее. Питер работал со своей группой в Университетском колледже Лондона и Амстердаме, а также с Фондом исследований информационных технологий в обществе (IT’IS), независимым некоммерческим исследовательским фондом в Цюрихе и другими, чтобы in silico воссоздать сеть сосудов, артерий, вен и капилляров длиной 60 000 миль, используя миллиарды точек данных цифрового человека, построенного на основе цветных срезов с высоким разрешением (0,1×0,1×0,2 мм) замороженного тела 26-летней кореянки Юн Сон.

Смоделировать только ее кровообращение – и ничего больше – было монументальной задачей: команде Питера в UCL (особенно Джону МакКалоу) пришлось работать с Юлихским суперкомпьютерным центром, Университетом Теннесси, Суперкомпьютерным центром Лейбница, Фондом IT’IS, Рурским университетом и Университетом Амстердама в написании около 200 000 строк кода, который мог работать на 311 000 ядрах Super-MUC-NG и моделировать кровоток в 434 579 134 участках извилистого сочетания артерий и вен в теле Юн Сон.

К тому времени команда Питера разработала HemeLB – высокомасштабируемый код суперкомпьютерного класса, который имитирует поток крови через стент, вставленный в мозг пациента для лечения аневризм – расширений, вызванных слабостью стенок кровеносных сосудов. Программное обеспечение обрабатывает трехмерные единицы – вокселы – крови и моделирует ее поток в пределах заданной геометрии. Для запуска они вновь обратились к суперкомпьютеру Super-MUC-NG[445][446][447].

Адаптировать суперкомпьютер для моделирования кровообращения Юн Сон было далеко не просто. HemeLB пришлось неоднократно оптимизировать и настраивать, внедряя новейшие стандарты параллельных вычислений и подходы к балансировке нагрузки на сотни тысяч вычислительных блоков – ядер машины. Только тогда Super-MUC-NG смог эффективно запускать код в огромных масштабах. Команда Питера совсем недавно разработала ускоренную версию кода, которая масштабируется до 20 000 графических процессоров на Summit[448].

К счастью, как обнаружил Нобл с помощью Connection Machine несколько десятилетий назад, биология отображалась в архитектуре суперкомпьютера, что упростило задачу. Общий поток крови через артерию сводился к решетке из более мелких блоков, и расчеты могли определить струйки крови между соседними блоками. Эта ближайшая связь между соседними участками крови четко отражается на архитектуре процессоров машины и потоке информации между ними[449]. (Для сравнения: при моделировании мозга, где существует множество долгосрочных взаимодействий, было бы сложно сопоставить их с конкретной компьютерной архитектурой[450].)

Рисунок 37. Юн Сон. Качество и разрешение изображения (0,1×0,1×0,2 мм) позволили детально выявить периферические нервы, артерии, вены и другие мелкие структуры (IT’IS Foundation)

Команде удалось создать виртуальную копию кровеносной системы Юн Сон до долей миллиметра, но не до более тонкой сети сосудов, лежащих за кончиками примерно 1500 обработанных с помощью модели «подсетки». Саму виртуальную кровь создать было относительно просто: уравнения механики жидкости игнорируют то, что кровь состоит из лейкоцитов, эритроцитов, плазмы и т. д., рассматривая ее как континуум. На несколько дней взяв Super-MUC-NG под свой контроль, исследователи смогли реалистично в течение примерно 100 с показать, как кровь циркулировала через виртуальное тело Юн Сон.

В настоящее время команда использует это понимание для составления детальных графиков изменений артериального давления по всему телу, чтобы исследовать, как эти различия коррелируют с различными типами заболеваний. Другое применение модели кровообращения – впервые моделировать движение тромбов. Совсем недавно ее использовали, чтобы продемонстрировать, как включение всего предплечья человека в моделирование артериальных и венозных структур позволяет точно моделировать артериовенозную фистулу, которую хирурги создают, соединяя собственные вену и артерию пациента, образуя место, через которое можно будет удалять кровь и возвращать ее для диализа[451]. К сожалению, значительная часть фистул не созревает для успешного диализа, но есть надежда, что модель сможет повысить шансы на успех.

В США Аманда Рэндлс из Дюкского университета в Северной Каролине предпринимает еще одну попытку смоделировать систему кровообращения всего человека, чтобы пролить свет на такие заболевания, как гипертония. Код динамики жидкости называется HARVEY в честь Уильяма Гарвея (1578–1657), английского хирурга, впервые описавшего систему кровообращения. «Потенциальное влияние моделирования кровотока на диагностику и лечение пациентов, страдающих сосудистыми заболеваниями, огромно», – писали Рэндлс и коллеги[452]. В качестве одного из примеров: HARVEY помог Рэндлс понять, как лечить церебральные аневризмы с помощью стентов.

Тем временем в Граце, Австрия, Гернот Планк работал с нидерландскими коллегами и Эдвардом Вигмондом из Франции над созданием первой трехмерной модели сердца и системы кровообращения с «замкнутым контуром»[453], которая, как он сказал Питеру, «максимально приближена к универсальному электромеханическому симулятору сердца»[454]. Все эти проекты представляют собой замечательную веху, ведь наконец-то на горизонте виднеются модели всего человека, а также очень значительных частей человеческого тела.