Цель научной деятельности лаборатории – разработка эффективных методов построения, реализации, анализа и использования компьютерных моделей в физиологии и медицине с использованием суперкомпьютеров.
Новизна и актуальность. Ввиду сложности, присущей взаимосвязанным нелинейным биологическим системам, развитие вычислительных моделей необходимо для достижения количественного понимания их структуры и функции в норме и патологии. В настоящее время наблюдается «взрыв» в развитии компьютерной медицины, которая ставит своей целью разработку и использование интегративных моделей физиологических систем человека и животных от молекул до органов и организма в целом, позволяющих изучать и прогнозировать возникновение и развитие заболеваний, а также отыскивать оптимальные способы их диагностики и эффективного персонифицированного лечения. Компьютерная медицина в обозримом будущем должна стать одним из основных методов исследования в медицинской науке и практике.
Междисциплинарный характер задач научной лаборатории. Для расширения сфер развития и применения компьютерной медицины возникает необходимость в подготовке специалистов нового синтетического типа. Поскольку разработка и реализация моделей в физиологии и медицине является сложной, наукоемкой и, по сути, междисциплинарной задачей, для ее решения необходимо не только владеть знаниями и навыками в области физики и математики, математического моделирования и компьютерных наук, но и понимать природу биологических процессов. Кроме этого, реализация адекватных моделей сложных биологических систем невозможна без использования высокопроизводительной вычислительной техники и участия квалифицированных специалистов в области вычислений.
Перспективность и приоритетность задач научной лаборатории. В Европе, США, Японии, Новой Зеландии, Китае и других странах финансируется ряд международных программ и крупномасштабных проектов, связанных с разработкой количественных методов описания биологических систем и их компьютерных моделей.
В то же время Россия практически не представлена в перечисленных выше программах, направление математической и компьютерной физиологии и медицины развивается медленно и практически не финансируется, а большинство общепризнанных российских ученых – специалистов в этой области, работает в зарубежных университетах и лабораториях.
Образование и будущая деятельность создаваемой научной лаборатории направлены на частичное сокращение недопустимого отставания России в области математической физиологии и биомедицинского инжиниринга и на обеспечение ее будущего представительства в международных проектах.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРИИ
НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 1. «Виртуальное сердце» - компьютерные модели структуры и функции сердца от молекул до органа. Руководитель направления: Соловьева Ольга Эдуардовна, д.ф.-м.н., профессор кафедры вычислительной математики, ИМКН.
Цели и задачи. Разработка компьютерных интегративных моделей электрической и механической функции сердца для изучения физиологических основ функционирования сердца в норме, а также природы социально значимых заболеваний сердца, в частности, сердечной недостаточности и нарушений ритма.
Инновационная составляющая проекта предполагает разработку интегративной модели сердца, адекватно воспроизводящей структуру и функцию сердца в норме и при патологии на основе объединения в едином компьютерном комплексе ранее разработанных коллективом лаборатории моделей всех уровней интеграции, от молекулярного до органного уровней. Реализация таких моделей необходимо потребует существенного развития технологий параллельных вычислений и расчета на суперкомпьютере УРАН.
НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 2. Математическая иммунология. Руководитель направления: Пименов Владимир Германович, д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой вычислительной математики, ИМКН.
Цели и задачи. Разработка математических моделей для изучения защитных и регуляторных функций иммунной системы в норме и при патологиях, что позволит глубже понять природу аутоиммунных заболеваний (рассеянный склероз, аутоиммунные артриты и т.п.), иммунодефицитов, хронизации болезней, которые представляют собой актуальные и социально высоко-значимые проблемы современной физиологии и медицины.
Инновационная составляющая проекта связана с разработкой эффективных методов численного решения функционально-дифференциальных уравнений (ФДУ), в том числе ФДУ в частных производных (ФДУЧП) и с созданием на их основе интерактивного и высокопроизводительного программного обеспечения на базе Интернет и современных суперкомпьютерных технологий, доступного для широкого круга пользователей.
НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 3. Суперкомпьютерные технологии в биомедицинских приложениях. Руководитель направления: Созыкин Андрей Владимирович, к.т.н., зав. кафедрой высокопроизводительных компьютерных технологий, ИМКН.
Цели и задачи. Развитие суперкомпьютерного комплекса УРАН для использования в научных и образовательных проектах УрФУ. Разработка программно-аппаратных технологий параллельных вычислений, обеспечивающих эффективное решение сложных динамических задач на высокопроизводительных суперкомпьютерах. Разработка технологий реального времени для обработки больших объемов данных и проведения вычислений для моделирования сложных системы в биологии и медицине.
