Mathematische Methoden für die Modellierung des humanen Herzens von sub-dyadischen Skalen zu Organskalen

Die Funktion des Herzens umfasst Prozesse auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen. Das elektrische Aktionspotenzial des Sinusknotens wird durch das ganze Herz geleitet und koordiniert die Kontraktion von Milliarden von Zellen für die Pumpfunktion. Die eigentliche Kopplung zwischen dem Aktionspotenzial und der Kontraktion erfolgt in winzigen, subzellulären Volumina, den dyadischen Spalten, deren Verhalten durch stochastisches Rauschen geprägt ist. Die mikroskaligen und strukturellen Parameter und das Rauschen beeinflussen die Wahrscheinlichkeit pathologischer Reizleitung auf Organebene. Ein detailliertes mechanistisches Verständnis fehlt aber aufgrund der Komplexität der mathematischen Modellierung und der Simulation solcher Modelle über mehrere Skalen. Umgekehrt geben die Prozesse auf Organebene den einzelnen Myozyten Umgebungsbedingungen vor, die sie als isolierte Zellen nicht erzeugen können und die daher experimentell schwer zu untersuchen sind. Das beantragte Projekt im Bereich der mathematischen Multiskalenmodellierung des Herzens wird sich mit beiden Blickwinkeln befassen. Es wird die Auswirkungen mikroskaliger Parameter auf das Organverhalten untersuchen, indem es Organmodelle durch sehr detaillierte Zellsimulationen ergänzt. Es wird das Zellverhalten im Gewebe untersuchen, indem es die durch Organsimulationen erzeugten Umgebungsbedingungen auf detaillierte Zellmodelle überträgt.