Introduction
Le système électrique du cœur permet à toutes ses cellules musculaires de battre en synchronisation. Un coup dur à la poitrine au mauvais moment, cependant, peut créer des vagues indisciplinées d'excitation électrique anormale qui sont potentiellement mortelles. Le type d'arythmie qui en résulte peut être la cause du joueur de football Damar Hamlin des Bills de Buffalo à s'effondrer sur le terrain après avoir reçu un coup puissant lors d'un match de la Ligue nationale de football en 2023. Aujourd'hui, des défibrillateurs puissants sont généralement utilisés pour aider à resynchroniser les cœurs en détresse. Mais Flavio Fenton, qui étudie la dynamique électrique du cœur, parle à Steve Strogatz d'une nouvelle méthode en cours de développement pour traiter les arythmies en stimulant le cœur avec des chocs légers et précis - ou peut-être même avec de la lumière.
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Transcription
Steven Strogatz (00:03): Je suis Steve Strogatz, et voici La joie du pourquoi, un podcast de Quanta Magazine qui vous emmène dans certaines des plus grandes questions sans réponse en mathématiques et en sciences aujourd'hui. Dans cet épisode, nous allons nous demander comment utiliser les mathématiques et la physique pour arrêter l'arythmie cardiaque mortelle.
(00:21) Vous vous souvenez peut-être de la scène horrible qui s'est produite lors d'un récent match de football professionnel, lorsque la sécurité des Buffalo Bills, Damar Hamlin, s'est effondrée sur le terrain après avoir pris un coup de tonnerre. Une théorie est que le claquement qu'il a pris sur la cage thoracique a perturbé le rythme de son cœur, provoquant le dérèglement de ses ondes électriques normales. La condition qui en résulte, connue sous le nom de fibrillation ventriculaire, peut tuer quelqu'un en quelques minutes car elle empêche le cœur de pomper efficacement le sang vers le corps et le cerveau. Et alors que les coéquipiers stupéfaits de Damar Hamlin et des millions de téléspectateurs ont regardé pendant ce qui semblait être une éternité, le personnel médical a eu du mal à le ranimer.
(01:01) À l'instant où Flavio Fenton a vu les images du coup, il a su ce qui s'était passé. Fenton est professeur à l'École de physique de Georgia Tech, et les arythmies cardiaques sont sa spécialité. Fenton étudie les modèles mathématiques et informatiques des arythmies et les étranges ondes spirales qui les sous-tendent. Et il mène également des expériences sur des cœurs d'animaux et sur des cœurs humains donnés. Il espère trouver un moyen d'arrêter les arythmies sans avoir à utiliser les palettes de défibrillateur traditionnelles qui envoient une énorme décharge électrique dans tout le corps du patient. Au lieu de cela, Fenton essaie de combattre les vagues par les vagues. Il fait ses propres vagues pour étouffer les ondes spirales pernicieuses qui peuvent semer le désarroi dans un cœur. L'objectif est de trouver un moyen plus doux et moins dommageable de traiter les arythmies.
(01:50) Flavio, merci de vous joindre à nous aujourd'hui et de nous parler du travail incroyable que vous avez fait.
Flavio Fenton (01:55) : Oh Steve, merci beaucoup de m'avoir invité. C'est un plaisir d'être ici.
Strogatz (01:58) : Comment fonctionne le cœur lorsqu'il fonctionne correctement ?
Fenton (02:01) : Le cœur est un système incroyable. Et l'une des choses que j'aimerais dire, c'est l'une des choses qui, je pense, nous sépare un peu : la façon dont nous étudions les arythmies est, j'essaie de le faire du point de vue d'un physicien. La plupart des personnes qui étudient les arythmies cardiaques sont des ingénieurs biomédicaux ou des cardiologues. Nous avons donc essayé de le faire du point de vue du fonctionnement de la physique dans la modélisation du cœur.
(02:21) L'évolution du cœur chez différentes espèces animales a différentes manières de fonctionner, mais le point principal est de se contracter. Ils essaient donc de se contracter pour pouvoir éjecter du sang et faire circuler du sang oxygéné dans le corps. Coeurs de mammifères, nous avons quatre chambres. Nous avons deux oreillettes et deux ventricules. Ils sont connectés, mais ils sont électriquement déconnectés.
(02:40) Donc, la façon dont cela fonctionne est que vous avez des cellules qui sont auto-oscillantes, elles sont appelées cellules du nœud sino-auriculaire. Ils commencent les battements du cœur. Et puis par diffusion se propage à travers les oreillettes, puis des oreillettes va au nœud AV qui est la seule partie qui relie les ventricules des oreillettes. Et puis va dans les ventricules, puis les ventricules se contractent. Les oreillettes sont essentiellement des chambres de réception. Ainsi, le sang reçoit dans les oreillettes, puis les oreillettes l'envoient aux ventricules, qui envoient le sang soit aux poumons, soit au corps. Donc celui qui envoie le sang dans le corps est le ventricule gauche. C'est donc la partie la plus épaisse du cœur, c'est la centrale électrique du cœur.
(03:16) L'essentiel est la contraction, qui est un problème de dynamique des fluides, mais elle provient d'un signal électrique qui fait contracter les cellules. Parce que les cellules cardiaques, elles ont une membrane qui sépare l'intérieur de l'extérieur. Il y a donc différentes concentrations d'ions entre l'intérieur et l'extérieur. Donc au repos, ils sont dépolarisés en général à environ moins 80 millivolts ou moins 75 millivolts. Quand ils sont excités, la tension dépasse le seuil, comme environ 10 millivolts. Il y a donc une amplitude d'environ 10 millivolts, qui change la tension. Et lorsque la tension dépasse le seuil pendant environ 200 millisecondes, le calcium est libéré dans les cellules. Et c'est le calcium qui produit alors la contraction. Ainsi, la contraction est en réalité entraînée par un signal électrique.
(04:00) Ainsi, lorsque vous essayez d'enquêter sur la façon dont le cœur échoue, il y a plusieurs façons dont les cœurs échouent. Il y en a des mécaniques et des électriques. Donc, nous plaisantons toujours en disant que lorsque nous avons des gens qui étudient la dynamique du cœur et les arythmies du cœur, vous pouvez les séparer en électriciens et en plombiers. Je suis donc majoritairement électricien. Je suis donc plus intéressé par la façon dont les perturbations électriques déclenchent les arythmies, mais cela peut aussi être mécanique. Et nous essayons de travailler ensemble pour nous combiner, mais les études que j'étudie sont celles qui sont motivées par ces perturbations de la propagation électrique.
Strogatz (04:35) : Bien. Je suis heureux que vous fassiez cette distinction entre les aspects électrique et mécanique des fluides ou de plomberie du cœur, car je trouve que lorsque j'écoute la télévision, ou que j'entends simplement des gens en conversation, ils ont peut-être un parent ou un ami, et ils diront: "Cette personne a eu une crise cardiaque massive." Ou ils pourraient dire "cette personne avait une insuffisance cardiaque". Ou alors vous entendez l'expression "arrêt cardiaque". Donc je pense que dans l'esprit du public, les trois sonnent comme quelque chose que vous ne voulez pas qu'il vous arrive. Mais ce n'est pas la même chose. Mais écoutons, qu'entendez-vous par une crise cardiaque par rapport à une insuffisance cardiaque par rapport à un arrêt cardiaque ?
Fenton (05:18) : Ainsi, lorsque vous avez, par exemple, une crise cardiaque, ce qui se passe, c'est que lorsque le cœur se contracte, il envoie du sang au corps, mais il s'envoie également du sang à lui-même. Ainsi, à la base de l'aorte, là où le sang va dans le corps, il y a deux artères qui partent et descendent dans tout le cœur. Et lorsque le cœur pompe le sang vers lui-même, il s'oxygène. C'est ainsi que le cœur se maintient en vie. Donc, ce qui se passe, c'est que lorsqu'un de ces vaisseaux est bloqué - par colmatage, lorsque vous avez un taux de cholestérol élevé, puis qu'un vaisseau se bloque - alors le sang ne va pas dans cette partie du cœur. Ainsi, cette partie du cœur ne sera pas oxygénée. Il perd son excitabilité, puis il peut initier en fait une arythmie entraînée par le système de conduction électrique (ce que je vais vous dire dans un instant). Selon l'endroit où le bloc se produit - s'il se produit très bas dans les branches, seule une petite partie du cœur est affectée. Si cela se produit très haut, une grande partie du cœur est affectée et cette partie du cœur peut mourir, arrêter de se contracter.
(05:18) Et il y a deux causes qui peuvent arriver quand tu as une crise cardiaque. Soit le cœur entier cesse de se contracter, soit il déclenche une arythmie, qui est une fibrillation ventriculaire. Cette arythmie peut arriver parce qu'il y a une partie du cœur qui ne se contracte pas, qui ne permet pas la propagation des ondes. Ainsi, les vagues commenceront à former ces motifs compliqués qui peuvent se former. C'est ce qui arrive quand vous avez, essentiellement, une crise cardiaque.
(06:38) L'insuffisance cardiaque se produit lorsque le cœur commence finalement à changer dans le temps, se transformant de telle sorte qu'il peut devenir plus épais, par exemple. Il existe de nombreux types d'insuffisance cardiaque, mais le cœur s'épaissit et la contraction diminue. Vous ne pouvez donc pas non plus contracter. Ainsi, la fraction d'éjection diminue, et vous ne pouvez pas bien oxygéner votre corps. Et cela nécessite différents traitements, médicaments, et dans le pire des cas, vous devez subir une greffe cardiaque. Lorsque vous avez une mort cardiaque subite, c'est une arythmie qui se produit lorsque vous obtenez ces perturbations du signal électrique et déclenchez une arythmie compliquée.
(07:17) Donc, fondamentalement, ce qui se passe, c'est que vous avez des ondes électriques qui se propagent. Mais ces ondes peuvent être perturbées et produire des ondes spirales. Vous pouvez en fait avoir une onde spirale d'activité électrique tournant autour des ventricules ou des oreillettes. Et ceux-ci feront se contracter le cœur plus rapidement. Car il s'avère que ces ondes spirales, lorsqu'elles se forment dans le cœur, tournent plus vite que le stimulateur naturel. Ainsi, ils prennent le contrôle du cœur à un rythme plus rapide. Et c'est ce qu'on appelle la tachycardie. Vous pouvez avoir une tachycardie dans les ventricules ou dans les oreillettes, selon les cavités. Les ondes spirales, en général, peuvent se déstabiliser relativement facilement. Il existe de nombreux mécanismes qui peuvent produire cela.
(07:57) Et ce sont certaines des choses que nous enquêtons. Ainsi, ils ne restent pas stables trop longtemps et ils se divisent en plusieurs vagues en spirale. Lorsque vous avez plusieurs ondes en spirale, chaque section du cœur aura de petites ondes en spirale qui tournent très rapidement. Mais alors ils peuvent être déphasés. Donc, ce qui arrive à tout le cœur, c'est que maintenant il ne pompe plus, encore plus vite. C'est juste que chaque section du cœur bat à sa propre phase. Alors le cœur tremble. Il ne pompe même pas, donc il tremble. Et il ne peut pomper aucun sang. Donc, quand il n'y a pas de sang pompé, vous mourez en quelques secondes.
(08:25) Donc, la seule façon quand vous avez un cas comme ça, vous devez venir avec un défibrillateur et stimuler toutes les cellules avec un très grand champ électrique qui défibrille les tissus. Ce défibrillateur externe, il démarre avec 150 joules, et il peut monter jusqu'à 300 joules. C'est beaucoup d'énergie à défibriller. Parce que lorsque vous avez besoin de cela, pour exciter toutes ces cellules cardiaques à la fois, alors vous mettez fin aux ondes en spirale. Ces champs électriques, oui, ils sont vraiment énormes. Et puis ils peuvent exciter tout le corps autour de soi, tous les muscles, donc ils peuvent être assez douloureux.
(08:57) Juste pour vous donner une comparaison, l'énergie nécessaire pour déplacer un muscle est d'environ 0.001 joule. C'est pourquoi il faut une éternité pour perdre du poids lorsque vous êtes sur le tapis roulant. Cela demande beaucoup de mouvement des muscles pour perdre un peu d'énergie, pour perdre du poids. Cela vous indique la force de ces champs électriques pour la défibrillation.
Strogatz (09:15): Merci. C'était un très bon tutoriel. Donc je suppose qu'il ressort clairement de ce que vous avez dit, nous ne parlons pas d'insuffisance cardiaque dans cet épisode. Et nous ne parlons pas vraiment de crises cardiaques, sauf dans la mesure où elles le peuvent - en tuant un morceau du cœur - elles peuvent créer les circonstances d'ondes en spirale rotatives ou d'autres problèmes électriques. Je veux dire, c'est vraiment de ça qu'on veut parler.
(09:36) Vous avez donc mentionné la tachycardie, où les ondes font battre le cœur si vite qu'il ne pompe pas aussi efficacement qu'il le ferait normalement. Ou dans le pire des cas, la fibrillation, dont je dois vous parler lorsque j'étais étudiant diplômé. J'ai eu un professeur de génie biomédical qui nous a emmenés dans une école de médecine pour sentir un cœur fibrillant entre nos propres mains. Et c'est une expérience assez inoubliable. Et c'est très bizarre et glissant. Comme vous l'avez dit, grelottant ou tremblant. Ça ressemble à des vers, non ? C'est un peu comme s'il y avait tous ces vers qui se tortillaient dans votre main, lorsque vous posez votre main sur un cœur.
Fenton (10:13) : Dans la littérature, beaucoup de gens dont Art Wingratuit, il avait l'habitude de mentionner que lorsque vous visualisez le cœur en fibrillation, c'est comme si des vers se déplaçaient dans le substrat, n'est-ce pas ? Et quand vous voyez un cœur fibriller, c'est à ça que ça ressemble : comme des vers en dessous entraînant la structure de la contraction.
Strogatz (10:29) : Comme vous le dites, c'est extrêmement dangereux. Vous mourrez en quelques secondes ou minutes parce que le sang n'est pas efficacement pompé vers le cerveau ou le corps. Mais si nous revenons maintenant à ce cas de Damar Hamlin, que pensez-vous qu'il lui est arrivé, quand il a été touché ?
Fenton (10:44) : Donc, nous ne serons jamais sûrs de ce qui se passe, n'est-ce pas ? Mais ce qui aurait très probablement pu arriver — c'est ce que je pensais au tout début quand c'est arrivé — c'est que la façon dont vous initiez les ondes en spirale dans le cœur, vous brisez la symétrie des ondes.
(10:57) Permettez-moi de commencer par une propriété de ces systèmes excitables comme le cœur. Un autre système excitable similaire au cœur est, par exemple, le feu. Le feu s'excite et se propage. Il produit une onde qui se propage. Mais vous voyez, vous ne pouvez jamais brûler ce feu derrière une vague de feu qui passe, n'est-ce pas ? Parce qu'il n'y a pas d'herbe à brûler. Ainsi, lorsque vous avez deux ondes de système excitable qui s'écrasent, comme dans le cas du cœur, des ondes électriques dans le cœur, ou deux fronts de feu, lorsqu'ils se heurtent, ils s'annihilent. Ce n'est pas comme les vagues d'eau, quand elles se croisent. Ces ondes, lorsqu'elles se heurtent, s'annihilent. C'est facile à voir dans le cas du feu, car derrière la vague de feu, il n'y a plus rien à brûler. Et c'est comme ça que les pompiers disent toujours, "la façon dont vous combattez le feu, c'est avec le feu." C'est parce que pour mettre fin à une vague de feu, vous utilisez une autre vague dans la direction opposée qui les heurte et les termine. Cela vous donne ces — ce qu'on appelle une période réfractaire, c'est-à-dire que derrière une onde, il y a un peu de temps avant que vous puissiez exciter à nouveau une autre onde. Dans le cas du feu de forêt, c'est long d'attendre car il faut attendre que l'herbe repousse pour pouvoir à nouveau brûler de l'herbe.
(12:04) Un autre exemple de système excitable est une toilette. Les toilettes sont un parfait exemple de système excitable. Vous avez besoin d'un seuil d'excitation. Ainsi, lorsque vous déplacez la poignée des toilettes, vous la déplacez un peu et rien ne se passe. Mais si vous tirez la chasse d'eau, eh bien, pour mettre assez de force sur un seuil, vous dépassez ce seuil de déplacement de la poignée, alors il y a un dégagement d'eau. Et puis vous ne pouvez plus libérer d'eau car vous devez attendre qu'elle se remplisse à nouveau. C'est donc une libération d'excitation après cela. Et vous devez attendre un peu de temps avant de pouvoir rincer à nouveau. Donc la même chose pour la cellule cardiaque. Une fois que la cellule s'excite, il faut attendre un peu de temps avant qu'elle ne s'excite à nouveau.
Alors que se passe-t-il ? Imaginez que vous avez une onde qui se propage, et derrière l'onde que vous voulez exciter. Donc, si c'est juste vraiment réfractaire, vous ne pouvez pas l'exciter parce que la cellule ne répondra pas. Mais si vous attendez un certain temps après le passage de l'onde, alors vous pouvez exciter, et vous pouvez produire une onde qui se propage, n'est-ce pas ? Imaginez maintenant entre ces moments - entre le moment où vous êtes trop près de la vague, ou trop loin de la vague tout le chemin du retour pour pouvoir exciter une activation - entre les deux, il y a une région où une partie du tissu sera réfractaire vous ne pouvez donc pas vous propager, mais une partie du tissu peut être excitée. Donc ça casse en fait la symétrie de la propagation de l'excitation. Et il peut produire fondamentalement qu'il se propage dans une direction mais échoue dans la propagation dans une autre direction. Et c'est ainsi que les ondes en spirale se formeront.
Strogatz (13:26) : Peut-être devriez-vous nous donner un petit visuel. Je veux dire, parce que j'entends le mot "spirale", et tout le monde sait quoi imaginer quand ils pensent à une spirale. Mais qu'est-ce qui fait une vague en spirale ? Pouvez-vous en quelque sorte nous guider à travers cela? J'ai mentionné les ondes spirales en rotation, dites-moi comment imaginer ce qui se passe.
Fenton (13:41) : Imaginez que vous avez une vague, juste une vague de quelque chose, n'est-ce pas ? Comme dans le stade, comme vous avez la vague mexicaine et vous excitez tout le monde. Alors maintenant, imaginez qu'il y a une vague. Donc, vous avez un front de gens qui se lèvent, puis le reste des gens derrière la vague, ils se lèvent et enfin ils s'assoient.
Strogatz: Oui.
Fenton (13:57) : D'accord. Vous avez donc une vague avec une certaine largeur. Alors maintenant, pensez à l'avant et à l'arrière, n'est-ce pas ? Vous avez l'avant de la vague et l'arrière de la vague, et pensez qu'elle ne fait que se propager à travers le stade. Maintenant, imaginez que vous venez de casser la vague du bas du stade au sommet du stade, n'est-ce pas ? Donc, vous avez une vague là-bas. Mais imaginez que je n'excite que la moitié du stade de bas en haut. Vous avez donc un front d'onde et un retour d'onde. Mais c'est un continuum. Donc, si vous continuez là où l'avant et l'arrière doivent se rejoindre, il y aura un point où nous appellerons la phase, n'est-ce pas ? La phase du front et la phase de la vague arrière, elles vont se rencontrer. Et à ce point où ils se rencontrent, il y a ce qu'on appelle une singularité de phase, et là la phase n'est pas définie. C'est exactement là où l'avant de la vague correspond à l'arrière de la vague. C'est alors que vous créez une onde en spirale. Lorsque vous cassez un front, puis vous créez que le dos et le devant se rencontrent, et ensuite ça va commencer à tourner autour de ce point de singularité.
(14:52) Et en fait, nous l'avons fait ici à Georgia Tech juste pour le montrer un peu plus facilement. Nous avons rassemblé 600 élèves et les avons mis sur une grille. Et puis nous leur avons donné des instructions similaires aux activations dans les stades, que si votre voisin est excité avec les mains en l'air, vous levez les mains. Donc si vous commencez par un corner, vous obtenez une vague de propagation comme dans les stades. Mais ce que nous avons fait, c'est commencer par une rupture de symétrie. Dans le cas où, au centre du carré des étudiants, nous disons au début qu'il y a une ligne d'étudiants qui va s'énerver, mais pas jusqu'au sommet, juste la moitié du domaine. Et puis on leur dit que la toute première fois, si vous étiez d'un côté, vous allez être activé, mais si vous êtes de l'autre côté de ces élèves qui ont les mains levées, vous gardez les mains baissées. La première fois. Donc ça casse la symétrie. L'onde ne va donc se propager que dans une seule direction. Mais la vague, comme je l'ai dit, elle ne va que du début du carré des étudiants au milieu. Cette vague va commencer, elle va en fait produire une vague en spirale avec les élèves bougeant leurs bras.
Strogatz (15h51): [des rires] Avez-vous un film de cela? Y a-t-il une vidéo que nous pouvons regarder sur YouTube ou quelque chose ?
Fenton (15:54) : Oui, il y a quelques Vidéos youtube sur ça. Je peux vous donner un lien vers ceux-ci.
Strogatz (15:55) : Envoyez-nous le lien, car je pense que nous le ferons dans les notes de programme. Ainsi, les gens peuvent jeter un œil à cela. Cela semble assez dramatique.
Fenton (16:04) : Et ça a l'air mieux quand on accélère, donc on accélère un peu la vidéo pour qu'elle soit plus rapide, pour que vous puissiez voir l'onde en spirale. Et cette onde en spirale continuera de tourner tant que les élèves auront de l'énergie, n'est-ce pas ? Tant qu'ils le peuvent… C'est l'important avec ces ondes spirales : une fois qu'elles se forment, elles prennent le contrôle du système. Et puis, en fait, une chose intéressante que nous avons observée là-bas, c'est que parce que les étudiants ne font pas toujours attention — ils ne font pas toujours attention un peu — alors que la vague passe, parfois ils peuvent s'exciter un peu avant ou un peu plus tard. Ils disent : « Oh, la vague est passée », alors ils s'activent plus tard. Alors cela déstabilise suffisamment pour briser l'onde spirale en plusieurs ondes spirales. Nous montrons donc en fait comment la fibrillation peut se produire si facilement par la déstabilisation de ces activations entre les cellules, qui dans ce cas étaient les étudiants.
Strogatz (16:50): Vous parlez de ça à cause de Damar Hamlin. Quel est le lien ?
Fenton (16:53) : C'est vrai. Donc, d'abord, comment les ondes en spirale forment une arythmie, n'est-ce pas ? La question est donc de savoir comment une onde en spirale s'est formée dans le cas de Damar Hamlin. Ce que nous pensons arriver s'appelle Commotio Cordis, c'est-à-dire lorsque les cellules cardiaques sont non seulement excitées par les voisins, mais qu'elles ont des canaux ioniques qui sont des canaux activés par l'étirement. Donc ça veut dire que si je touche un cœur, et que j'appuie sur un cœur, je peux produire une activation. Ainsi, vous pouvez stimuler un cœur avec un champ électrique ou un choc électrique. Mais si j'appuie - dans le cas où vous parliez de toucher un cœur, si vous aviez pressé le cœur, vous pourriez en fait activer de très nombreuses cellules dans le cœur, qui pourraient en fait se défibriller. C'est donc parfois ce qu'ils font dans les cas où ils ont la poitrine ouverte et avant qu'ils ne reçoivent des décharges électriques pour la défibrillation, parfois masser le cœur peut en fait aider à déclencher une onde ou à mettre fin à une arythmie. Mais ils devaient être touchés directement dans le cœur. Mais fondamentalement, chaque fois que vous étirez les cellules, elles peuvent produire une activation.
(17:51) Alors quand il a été touché à la poitrine, c'était un choc si fort qu'il a en fait déformé un peu le devant de sa poitrine mais aussi c'était suffisant pour perturber le cœur et presser le cœur. Et non seulement cela, mais cela s'est produit au pire moment possible. Afin d'obtenir l'initiation des ondes en spirale, comme je l'ai dit, cela doit être exactement sur l'onde de retour à une fenêtre vulnérable particulière lorsque l'onde passe et que vous vous excitez.
(18:17) Donc, quand vous voyez dans les films d'hôpital, quand vous avez l'ECG, l'électrocardiogramme, qui est ce qui vous montre le signal électrique du cœur. Vous voyez un petit signal qui s'appelle le QRS puis l'onde T, ou le signal électrique du ventricule. Donc, ce que cela mesure, c'est l'ensemble du signal électrique de toutes les cellules au fur et à mesure qu'elles se propagent et s'excitent, c'est la mesure globale de toutes les cellules du cœur. Donc, le tueur est le gros pic que vous voyez en premier, c'est l'activation du cœur. L'onde qui se propage à travers le cœur qui déclenche l'onde. Et la fin de l'onde est cette onde T que vous voyez sur l'ECG, la petite bosse plus petite à la fin du signal. C'est la fin de la vague.
(18:57) Donc, si vous excitez, si vous perturbez le cœur exactement à la fin de cette onde, à la fin de l'onde T, c'est là que vous pouvez réellement initier une arythmie. Donc, ce qui s'est passé, c'est qu'il a été frappé assez fort, certaines des cellules se sont activées. Et il a été touché exactement au moment où son cœur finissait de s'activer pendant l'onde T. Et cela a initié les ondes en spirale qui ont ensuite initié la fibrillation. S'il avait été touché quelques millisecondes plus tard, 20 millisecondes plus tard ou 20 millisecondes plus tôt, il ne serait peut-être pas entré en fibrillation.
Strogatz (19:30) : Ouais, ouais, ouais. Ce que je veux dire, nous avons besoin d'explications comme celle-là parce que les gens qui pratiquent le football et d'autres sports de contact sont tout le temps frappés. Et cela soulève la question, pourquoi ne voyez-vous pas plus de ces événements avec des gens qui s'effondrent et souffrent de fibrillation. Donc vous dites, vous devez être très malchanceux. Vous devez être touché pendant votre phase vulnérable.
Fenton (19:51) : Et très fort, non ?
Strogatz: Et frappe très fort.
Fenton (19:53): Ce qui se passe réellement pendant Commotio Cordis, c'est qu'il existe des statistiques selon lesquelles 50% des cas surviennent chez des personnes jouant au baseball. Au baseball, vous avez une balle dure et rapide qui peut réellement vous exciter – vous frapper souvent à la poitrine. Donc 50% des cas de Commotio Cordis qui arrivent à l'hôpital, ils viennent du baseball. Et cela arrive très souvent aux personnes plus jeunes car elles ne sont pas suffisamment développées pour que lorsque vous êtes touché à la poitrine, la pression puisse aller jusqu'au cœur. Il y a donc plus de gens qui pratiquent des sports où l'on peut se faire frapper avec une petite balle. Comme ça c'est arrivé aussi, par exemple, avec le hockey. Chris Pronger dans les années 1990, en 1998, lors des séries éliminatoires, il a été touché par une rondelle. Et il est descendu aussi. Et son cas est très intéressant parce qu'il n'est pas parti tout de suite, comme Damar Hamlin, il est parti tout de suite, il est descendu tout de suite par terre. Dans le cas de Chris, il a pris quelques secondes de plus. Je suppose que le coup, quand il a commencé, n'a produit qu'une seule vague en spirale qui a mis du temps à se briser. Et il a obtenu VT avant d'aller à VF. Et dans le cas de Damar, c'est probablement passé très vite en VF. Et c'est pourquoi il a perdu connaissance tout de suite.
Strogatz (21:00) : Donc, VT — tachycardie ventriculaire. FV — fibrillation ventriculaire. C'est encore plus mortel. Revenons une seconde à cette question de la défibrillation, parce que vous avez mentionné l'étonnant — ai-je bien entendu ? Vous avez dit quelque chose comme des centaines de joules nécessaires ? Ou utilisé de nos jours dans les défibrillateurs ?
Fenton (21:18) : D'accord, donc si c'est externe, ça va entre 120 et 360. Si c'est interne, ça peut être aussi bas que 20. Eh bien, « bas ». Vingt joules, mais c'est quand même douloureux.
Strogatz (21:27) : Si un patient parle de ce qu'il ressent lorsqu'il est défibrillé, comment le décrit-il ?
Fenton (21:32) : Très souvent, lorsque vous souffrez de fibrillation, vous vous évanouissez. Vous ne le sentirez donc pas très souvent. Mais dans le cas de la fibrillation auriculaire - parfois vous avez une FA, une fibrillation auriculaire - vous devez aller chez le médecin, puis ils vont faire une défibrillation, ils doivent faire un choc. Dans le cas d'un de mes étudiants, il me dit qu'il a attrapé la FA et qu'il est allé à l'hôpital et qu'ils l'ont cardioverti, et pour le cardiovertir, ils lui ont donné un sédatif, alors il a été mis sous sédation. Et puis il dit qu'il se souvient d'avoir entendu quelqu'un crier. Et puis plus tard, ils lui ont dit non, c'était lui qui criait sous le choc, mais il ne se souvenait pas que c'était lui. Le choc est donc suffisamment important pour être douloureux. C'est pourquoi ils t'endorment. Et c'est pour ça qu'en fait c'est très important quand ils font une défibrillation, ils doivent la brancher à l'ECG. Parce que comme je l'ai mentionné, quand ils entrent dans la défibrillation de l'AF, vous vous connectez à l'ECG, donc vous savez, quand vous faites le choc, vous ne le faites pas pendant l'onde T ou à la fin de l'onde T. Parce qu'alors vous pouvez initier une fibrillation dans les ventricules. Ils toujours, chaque fois qu'ils vous défibrillent, ils se connectent à l'ECG, puis ils font le choc au moment sûr.
Strogatz (22:33) : Donc, vous avez mentionné maintenant - et je ne pense pas que nous ayons mis l'accent sur cette distinction jusqu'à présent, donc nous devrions, probablement devrions - la fibrillation auriculaire par rapport à la fibrillation ventriculaire. Je me souviens qu'il y a quelques années, nous avions un président - je pense que c'était le président George Bush, l'aîné, le père de George W. Bush - qui, si je me souviens bien, avait une fibrillation auriculaire comme une sorte de maladie chronique... comme s'il vivait avec. . Si je me souviens bien.
Fenton (22:33): Oui, je pense que oui.
Strogatz (22:40) : La fibrillation ventriculaire, si elle n'est pas traitée, sera mortelle.
Fenton: Droite.
Strogatz (23:01) : Parce que vous ne pompez pas de sang. Mais la fibrillation auriculaire est-elle quelque chose avec laquelle vous pouvez vivre ?
Fenton (23:06) : Oui. C'est donc la bonne chose avec cette séparation, comme vous le disiez. Si une fibrillation se produit dans les ventricules, vous devez défibriller en quelques secondes, minutes, n'est-ce pas ? Que plus vous prenez de temps pour défibriller, plus il est difficile de défibriller - parce que le tissu devient moins excitable, parce qu'il y a moins d'oxygène, et donc vous avez moins d'oxygène vers le cerveau. Et les chances de guérison sont très faibles. Il faut donc vraiment défibriller très rapidement dans les ventricules. Dans les oreillettes - les oreillettes et le ventricule sont physiquement connectés mais électriquement déconnectés. Ainsi, lorsque vous avez une fibrillation dans les oreillettes, les ventricules peuvent toujours se contracter - pas complètement ou régulièrement, mais peuvent se contracter et envoyer du sang dans le corps. Donc la fibrillation auriculaire, tu peux vivre mais tu as toujours… Tu te sens fatigué. Vous ne pouvez pas vraiment bouger parce que les ventricules ne se contractent pas aussi bien qu'ils le pourraient. Et il y a aussi, parce que les oreillettes ne pompent pas le sang en continu, une partie du sang peut y rester, et il est plus facile de produire des caillots de sang. Les caillots peuvent pénétrer dans le corps et provoquer un accident vasculaire cérébral.
(24:05) Ainsi, lorsque vous avez une FA, cela augmente vos chances d'avoir un AVC. Et la FA, ça arrive à la plupart des gens quand ils vieillissent. Eh bien, pas la plupart des gens, mais en vieillissant, il y a beaucoup plus de chances d'avoir la FA. Environ 2.2 millions de personnes aux États-Unis ont la FA. Comme 70% des personnes atteintes de FA ont entre 65 et 85 ans. Et l'une des choses intéressantes à propos de la FA est qu'elle démarre lentement. La vague commence à se briser et à produire des vagues en spirale, mais elles disparaissent ensuite. Ils s'en vont. Donc l'auto se termine. Mais au fur et à mesure qu'ils apparaissent, ils en ressortent davantage, plus ils apparaissent longtemps, plus ils restent longtemps. Ainsi, plus vous avez de FA, plus les épisodes sont longs et plus il est difficile de les terminer.
(24:46) Donc, si vous avez commencé à développer une FA, vous voulez essayer d'aller chez le médecin et obtenir des médicaments ou d'autres méthodes qui s'appellent, comme l'ablation. Ils peuvent pénétrer à l'intérieur avec un cathéter, puis brûler des sections des oreillettes. Alors ces ondes n'ont pas assez d'espace pour tourner et ensuite elles s'auto-terminent. Il existe donc des méthodes pour tenter de mettre fin aux arythmies. Et ils fonctionnent mieux plus tôt vous découvrez que vous avez la FA parce que plus longtemps - c'est très intéressant - cela se produit, cela remodèle également les tissus. Ainsi, le tissu devient un peu plus gros et l'électrophysiologie le remodèle également. Ainsi, chaque fois que vous avez plus de fibrillation, il est plus facile de continuer la fibrillation plus longtemps jusqu'à ce qu'elle devienne soutenue. Et une fois que vous avez soutenu, la seule façon de le faire est essentiellement ce genre d'ablations qu'ils doivent faire là-bas.
Strogatz (25:31) : Passons donc à la dernière section de notre discussion ici, qui consiste à vraiment nous concentrer sur le travail que vous et vos étudiants, postdoctorants et collègues avez fait sur la lutte contre les vagues par les vagues. Alors pourquoi ne pas commencer par, qu'est-ce que vous et votre équipe de recherche avez trouvé comme alternative à la défibrillation classique dont nous avons parlé jusqu'à présent ?
Fenton (25:52) : Donc, l'un des avantages de l'électrophysiologie du cœur est qu'elle correspond vraiment bien à ce que nous appelons en physique ou en mathématiques, les mathématiques appliquées, un « système excitable ». Un système excitable a beaucoup de mathématiques derrière qui peuvent être utilisées pour des systèmes non linéaires ou des systèmes chaotiques pour étudier la dynamique de ces activations qui peuvent se produire dans l'espace, dans le temps et dans l'espace. Donc, ce qui est bien, c'est qu'en fait, lorsque vous avez de la fibrillation, qui sont de multiples ondes en spirale, la dynamique n'est pas aléatoire. Vous pouvez écrire des équations de mouvement pour décrire comment cela se produit. Et nous avons montré - et d'autres personnes l'ont également montré - que cela peut être chaotique. La dynamique de la fibrillation est donc chaotique. Et parce que c'est chaotique, ce n'est pas aléatoire, il existe des moyens de contrôler. Vous pouvez réellement étudier comment les arythmies se comporteront, de sorte que vous puissiez réellement perturber et d'une manière particulière avec de petites perturbations et un contrôle.
(26:42) La bonne chose à propos des systèmes chaotiques, comme nous le savons, c'est qu'il y a des orbites périodiques que vous pouvez former dans le temps. Et vous pouvez trouver des moyens de perturber à un moment donné avec une force particulière qui peut être très petite et contrôler le système. Donc, l'une des choses que nous pouvons faire est de savoir quand perturber avec de petits chocs au lieu d'un gros choc. Nous avons donc développé quelques méthodes, et d'autres personnes ont également travaillé sur ce domaine, que nous avons essayé de comprendre comment utiliser la dynamique non linéaire et les approches chaotiques qui utilisent des systèmes chaotiques pour minimiser les perturbations qui peuvent réellement fonctionner sur terminer ou contrôler un système.
(27:17) Alors imaginez - je ne sais pas si c'est une bonne analogie - mais quand vous avez une boîte avec beaucoup de pièces, et que vous voulez mettre toutes les pièces sur un bord, vous pouvez peut-être faire un gros mélangez, puis toutes les pièces iront d'un côté, n'est-ce pas ? Mais à la place, vous pouvez faire de petits petits mélanges, et petit à petit, vous pouvez déplacer les pièces dans un bord. C'est donc l'idée principale, que si vous pouvez perturber à un moment donné à des endroits particuliers avec une petite énergie, alors vous pouvez réellement synchroniser le système et mettre fin aux arythmies.
(27:42) C'était très bien parce que nous l'avons commencé d'un point de vue théorique, puis en faisant des simulations numériques. Et puis nous sommes passés à des expériences in vitro puis in vivo où nous avons pu défibriller des cœurs en utilisant seulement 10 % de l'énergie. Ainsi, au lieu d'utiliser les gros chocs énergétiques, vous pouvez utiliser 10 %, quelques chocs comme celui-ci et défibriller. Alors imaginez, que préférez-vous, si vous deviez être frappé par Mike Tyson : préférez-vous un choc ou quelques gifles ? Donc c'est probablement mieux d'avoir quelques gifles même si elles sont probablement très douloureuses, mais moins douloureuses qu'un seul gros coup, non ? C'est donc l'idée principale que vous pouvez faire de petits petits chocs et ensuite contrôler le système. Nous avons travaillé sur différentes méthodes pour appliquer cette idée. Et nous avons réussi jusqu'à présent.
Strogatz (28:28) : Est-ce que l'idée est quelque chose comme, je sais que parfois, quand vous avez une onde en spirale, elles viennent avec une main telle qu'il pourrait y en avoir certains qui sont, pour ainsi dire, droitiers et d'autres gauchers. Ils viennent par paires, souvent. Et si vous frappez un gaucher avec un droitier, ils disparaîtront tous les deux. Est-ce le genre de chose que vous faites? Essayez-vous d'injecter une onde en spirale pour frapper une onde en spirale existante ? Ou essayez-vous de pousser une vague en spirale hors du cœur, ou quoi?
Fenton (28:53): Eh bien, il s'avère qu'en fait, c'est ce qui se passe à la fin, ou c'est l'exigence à la fin, que vous devez défibriller. Chaque fois que vous avez une fibrillation, vous avez de nombreuses ondes en spirale. Et vous avez des ondes en spirale qui tournent dans le sens des aiguilles d'une montre et des ondes en spirale qui tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Et quand ils apparaissent, vous devez tous les terminer. Et la façon dont vous les terminez tous est en les faisant correspondre chacun avec leur homologue. Ainsi, lorsque vous faites le gros choc, c'est effectivement ce que vous faites. Vous excitez tous les tissus, de sorte que vous connectez toutes les ondes spirales d'une direction aux ondes spirales de l'autre direction. Donc, si vous excitez tous les tissus, vous le faites instantanément.
(29:27) Nous avons donc récemment proposé une théorie utilisant la dynamique de l'espace des phases où vous pouvez réellement cartographier la dynamique du système non pas dans l'espace physique, mais dans un espace de la dynamique des variables du système. Cela peut en fait vous dire où perturber. Et il s'avère que lorsque vous revenez dans l'espace physique, le moyen le plus simple de mettre fin à une arythmie est précisément de faire un stimulus le long du bord derrière l'onde qui relie une onde en spirale à leur onde en spirale homologue. Et ce mécanisme, en fait, nous l'appelons "téléportation" parce qu'une onde en spirale qui est en un point, vous pouvez en fait efficacement avec un stimulus la déplacer ailleurs. Ainsi, instantanément, vous pouvez le déplacer d'un endroit du domaine à un autre espace par un stimulus bien conçu à l'arrière de l'onde, de l'onde en spirale. Donc, pour défibriller, vous voulez téléporter toutes les ondes spirales dans le sens des aiguilles d'une montre avec leurs homologues dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Et si vous faites cela avec l'énergie la plus faible, vous réussissez à défibriller avec l'énergie la plus faible.
Strogatz (30:26) : Cela semble très intéressant. Mais je peux imaginer que les médecins s'y opposent pour plusieurs raisons. D'une part, vous savez, quand c'est une question de vie ou de mort, comme si une personne n'avait que quelques secondes, vous pouvez voir pourquoi elle veut utiliser les pagaies. Ça marche. Si vous décrivez quelque chose qui nécessite des mesures et un timing précis, ne vous dira-t-on pas : « Nous n'avons pas le temps pour cela. Nous ne pouvons pas faire ces mesures. Cette personne est allongée sur le sol.
Fenton (30:52): D'accord. Non, tu as tout à fait raison. Quand vous parlez de certaines choses qui sont vraiment la vie ou la mort. C'est donc le cas ici. Avec les méthodes de défibrillation à basse énergie que nous avons développées, elles fonctionnent évidemment par ordinateur, et elles fonctionnent en laboratoire. Mais pour s'assurer qu'ils fonctionnent tout le temps, partout, il doit être conçu d'une manière particulière. Alors en ce moment, quand vous avez les fabricants qui fabriquent des défibrillateurs, ils disent : « En ce moment, ça marche », n'est-ce pas ? L'idée principale, ça marche en ce moment, pourquoi veut-on baisser ? Ce que nous devons faire, c'est nous assurer que nous pouvons développer ces théories applicables qui réussissent toujours même à basse énergie.
(31:28) Vous pouvez donc essayer de le faire d'abord comme première approximation. Et sinon, si ça échoue, alors tu fais le gros choc. Vous devez vous assurer que lorsque vous les appliquez, vous n'attendez pas trop longtemps pour qu'il soit trop difficile de défibriller à la fin.
(31:39) En ce moment, beaucoup de défibrillateurs implantables, ce qu'ils font avant de faire un gros choc, ils essaient de faire ce qu'on appelle l'ATP, la stimulation anti-tachycardie. Lorsqu'une arythmie se forme, elle commence en général par une onde en spirale qui se développe en multiples. Donc l'idée principale est qu'une fois que l'algorithme détecte que vous avez une fibrillation dans les ventricules, alors ils vont essayer d'accélérer un peu plus vite que la rotation des ondes en spirale pour voir qu'elles peuvent affecter l'onde et la terminer. Donc, ils font un peu de cet ATP. Et puis si ça ne marche pas, alors ils vont chercher le choc.
Strogatz (32:11): Je pense juste que c'est intéressant la psychologie des personnes qui fabriquent les défibrillateurs implantables ou des médecins qui les utilisent chez leurs patients, qu'ils sont prêts à faire ce genre de choses plus douces - je suppose que cet ATP, la stimulation anti-tachycardie, c'est une sorte de tentative plus douce ou plus bénigne de sauver le cœur avant de lui donner le souffle, le souffle implantable. Ils semblent donc déjà ouverts à ce genre d'idée d'essayer quelque chose de plus doux avant de sortir le gros canon.
Fenton (32:41) : D'accord. C'est donc quelque chose entre les deux. L'ATP se fait avec une électrode qui est attachée au… Donc les défibrillateurs en général, ils font un choc électrique entre une électrode qui est dans les ventricules et le défibrillateur lui-même. C'est ainsi qu'ils créent un champ électrique entre ces deux-là. Et quand ils font l'ATP, ils se basent simplement sur l'électrode qui se trouve sur le ventricule. L'une des idées que nous avons est d'essayer de faire la défibrillation à basse énergie en utilisant juste au lieu de ces deux - l'électrode et la base du défibrillateur - pour faire les chocs à basse énergie. Mais cela prend encore du temps, et nous devons travailler pour nous assurer que nous montrons toujours qu'il est toujours sûr et efficace de défibriller.
(33:19) Mais de mon point de vue de physicien, je pense qu'il est étonnant que nous ayons pu comprendre une grande partie de la dynamique des arythmies simplement en utilisant des concepts de systèmes excitables qui existent, qui existent depuis de nombreuses années ans, pour décrire la dynamique des oscillateurs chimiques et des choses comme ça. Et la théorie peut être appliquée. Et effectivement, numériquement, on voit toujours que ça marche. Et nous allons aux expériences. Et nous pouvons réellement voir que cela fonctionne.
(33:44) Donc, ce qui est excitant, c'est que le simple fait d'utiliser ces concepts peut être appliqué pour développer de nouvelles techniques de nouvelles façons de défibriller, ce n'est pas seulement la méthode qui vient d'être découverte, qu'un seul gros choc fonctionnera, tant que comme c'est très fort. Il reste donc encore un long chemin à parcourir pour s'assurer que cela est applicable. Mais la théorie est là. Et que je pense que c'est ce qui est excitant. Ensuite, la partie ingénierie de la façon de le faire fonctionner avec succès et fiabilité, oui, c'est un long chemin à parcourir. Mais nous savons par où commencer.
Strogatz (34:14): Oh, c'est génial. Vous savez, en tant que personne qui fait moi-même des maths, je suis ravie que vous ayez ces idées théoriques qui pourraient s'avérer salvatrices ou améliorer la qualité de vie des personnes qui en ont besoin. Alors permettez-moi de vous poser quelques questions sur les détails de cela. Je veux vous poser des questions sur la partie informatique et sur la partie expérimentale. Alors pourquoi ne pas commencer par l'ordinateur ? Ces calculs semblent difficiles. J'ai lu quelque part que vous avez besoin de quelque chose comme 40 ou 50 équations différentielles, des équations différentielles non linéaires pour chaque cellule parce que je suppose que vous gardez une trace des conductances ioniques, des tensions et des concentrations. Ce sont donc des équations difficiles juste pour une cellule, puis vous avez beaucoup de cellules à gérer. Comment fais-tu ces calculs ? Utilisez-vous des superordinateurs ? Tu utilises des cartes graphiques ou quoi ?
Fenton (35:04) : Oui, pour quantifier la tension électrique dans la cellule, il faut tenir compte de tous les canaux ioniques qui existent et de tous les courants qui les traversent, en plus de la dynamique du calcium. Vous pouvez donc partir en tant que physicien à la recherche de la vache sphérique - dans ce cas, la cellule sphérique. Et faites des modèles plus simples qui n'ont que deux variables. Deux variables suffisent pour vous donner une dynamique de ce qui se passera en général. Mais comme vous voulez aller plus précisément à la dynamique cellulaire et à toute la complexité qui existe là-bas, vous pouvez commencer à utiliser des modèles que les gens ont développés au fil des ans. Les ingénieurs biomédicaux ont développé des modèles complexes. Certains des modèles incluent jusqu'à 100 équations différentielles pour une seule cellule. Vous pouvez imaginer que le nombre de variables que vous avez se compte en milliers. Plus le nombre de variables que vous avez est grand, [plus] le nombre de données expérimentales dont vous avez besoin pour vous assurer que vous n'êtes pas dans un minimum réel, pas dans un minimum local. Mais quoi qu'il en soit, ces modèles doivent être utilisés pour étudier un peu comment cela fonctionne.
(36:16) Ainsi, lorsque vous étudiez ces modèles dans l'espace, vous devez maintenant tenir compte de toutes les cellules cardiaques. Et parfois numériquement, il faut aller encore plus loin que la discrétisation des cellules cardiaques à cause de la façon dont on modélise la diffusion de l'activité électrique à travers la cellule. Vous avez donc fini par avoir des millions de cellules cardiaques que vous deviez simuler lorsque vous passiez à des cœurs réalistes en 2D ou 3D. Donc, la plupart du temps, les gens utilisent des supercalculateurs. Il faut donc utiliser des superordinateurs pour simuler l'activité électrique. Et parfois, cela prend de très nombreuses heures pour ne faire que quelques secondes. C'est un gros, un gros problème. Il existe des méthodes pour tenter d'accélérer la dynamique. Vous pouvez utiliser des méthodes adaptatives dans le temps et dans l'espace et des méthodes plus compliquées que nous et de nombreuses autres personnes avons utilisées. Ainsi, vous pouvez exécuter des simulations plus rapidement.
(36:46) Au cours des 10-15 dernières années, le développement des cartes graphiques pour les jeux a en fait permis de faire très souvent des simulations de supercalculateurs. Parfois, vous pouvez les faire sur un PC ou même sur un ordinateur portable, vous pouvez avoir des milliers de processeurs dans le GPU et développer les simulations à l'aide de ces programmes qui peuvent avoir accès non pas au CPU, mais au GPU, qui a plusieurs processeurs pour accélérer la dynamique qu'ils tracent sur l'écran.
(37:12) Donc, ce qui se passe, c'est qu'au lieu d'utiliser les pixels que vous avez utilisés pour le tracer sur l'écran pour la coloration, vous pouvez les utiliser pour tenir compte des variables du modèle que vous voulez faire. Vous pouvez donc utiliser les informations des pixels pour chaque variable du système. Et puis plusieurs variables sont les cellules du GPU et l'exécutent très, très rapidement en parallèle.
Strogatz (37:33) : Je tiens à souligner ce point. Je pense que c'est remarquable pour les gens qui n'y ont pas pensé que vous considériez les jeux vidéo comme amusants, mais un peu frivoles. Vous savez, c'est comme si les enfants perdaient leur temps ou s'amusaient, ou les adultes aussi. Mais ils ont mis au point une technologie pour rendre les jeux très rapides qui peuvent être utiles aux personnes comme vous qui essaient de calculer des choses très rapidement sur les cellules cardiaques dispersées dans l'espace. Ce n'est peut-être pas quelque chose que vous auriez imaginé comme la voie à suivre, mais cela s'est avéré être une utilisation très précieuse et très créative de cette technologie développée pour les jeux vidéo.
Fenton (38:08) : Oui, beaucoup de gens les utilisent pour le calcul haute performance depuis 15 ans. Et puis Nvidia a développé son propre langage pour faire cela, ce langage CUDA. Il peut s'agir d'un compilateur C dans CUDA ou même d'un compilateur Fortran dans CUDA. Ouais, mon ancien conseiller Robert Gilmour avait l'habitude de dire : « Avant, vous dépensiez beaucoup d'argent en ordinateurs. Maintenant, vous devez dépenser beaucoup d'argent pour les personnes qui codent le logiciel pour les ordinateurs. Parce que maintenant c'est le cas, vous n'avez plus besoin de dépenser de l'argent pour le supercalculateur - vous pouvez dépenser de l'argent pour un ordinateur GPU bon marché. Mais maintenant c'est plus compliqué d'écrire les codes pour faire ça.
(38:41) Mais il existe de nombreuses langues différentes. Et nous avons commencé à travailler avec un appelé WebGL qui vous permet d'exécuter des codes directement via le navigateur Web. Vous pouvez donc réellement exécuter les simulations dans un navigateur. Ils sont donc indépendants du système d'exploitation et indépendants de l'appareil. Ainsi, tant que le GPU peut gérer la mémoire du programme que vous souhaitez exécuter, vous pouvez même l'exécuter sur le téléphone portable. Le téléphone portable est si puissant. Vos téléphones portables maintenant, ils sont beaucoup plus puissants que tout le calcul qui était sur les modules lunaires que nous avons envoyés. C'est juste incroyable le pouvoir qu'ils ont. Vous pouvez donc réellement faire une simulation d'un cœur 3D - un petit cœur 3D, comme un cœur de lapin - sur un téléphone portable haut de gamme. Nous pouvons faire des simulations en temps réel.
(39:23) De plus, ce qui est bien, c'est qu'ils peuvent, parce qu'ils utilisent les pixels que vous affichez à l'écran pour faire les simulations, vous pouvez stimuler directement le tissu de manière interactive ou modifier les paramètres de la simulation et voir ce qui se passe que vous étudiez la dynamique du système. Et cela peut être fait pour n'importe quel système de réaction-diffusion ou n'importe quelle équation aux dérivées partielles. Vous pouvez donc le faire pour la dynamique des fluides, vous pouvez le faire pour la croissance des cristaux. Donc, c'est la bonne chose à propos des GPU, des cartes graphiques. C'est tellement puissant maintenant. Nous pouvons faire ce genre de simulations maintenant.
Strogatz (39:52): Alors laissez-moi conclure avec vous en évoquant simplement la question des expériences. Vous les avez mentionnés. Mais dans mon introduction, j'ai mentionné que vous utilisiez, en plus des cœurs d'animaux… Bien sûr, ce qui est vraiment dramatique, c'est d'utiliser de vrais cœurs humains. Et donc je comprends que vous avez eu accès à des cœurs humains de donneurs, de donneurs d'organes. Pourriez-vous en dire un peu plus à ce sujet et ce qu'ils vous ont appris?
Fenton (40:15) : Oui, donc pendant de nombreuses années, nous avons toujours utilisé des cœurs d'animaux - des lapins, des cobayes, des cochons parfois. Et quand j'étais à Cornell, nous utilisions même des cœurs de cheval, et un cœur de cheval est énorme. Il est plus grand que deux ballons de basket ensemble. Ils sont faits pour courir. Ainsi, lorsque vous ouvrez un cheval, l'intérieur que vous pouvez voir est principalement composé de poumons et de cœur.
(40:35) L'idée principale est d'essayer de minimiser l'utilisation des animaux. Et aussi, et surtout, le cas principal, ce que nous voulions étudier, c'est le cœur humain. Alors quand je suis venu ici à Georgia Tech, j'ai essayé de collaborer, j'ai collaboré avec des cardiologues à Emory, à l'université d'Emory à l'hôpital. Et enfin, après quelques années, en collaboration avec un couple de cardiologues, nous avons pu rédiger une partie des protocoles avec les avocats et des autorisations avec les patients. Très souvent, lorsqu'un patient reçoit une transplantation cardiaque, nous pouvons obtenir les cœurs du patient. Ils nous appellent et nous attendons à l'extérieur de la salle d'opération. Dès que le nouveau cœur arrive et qu'ils sortent le cœur du patient, ils nous le donnent. Je peux donc le préparer et l'apporter à Georgia Tech, qui est à 10 minutes d'Emory, de l'hôpital. Alors je l'apporte dans notre labo, et je peux le perfuser avec quelque chose de semblable au sang. Vous pouvez utiliser ce qu'on appelle la solution de Tyrode, c'est une solution qui contient tous les ions nécessaires pour maintenir le cœur en vie. Et nous pouvons raviver le cœur. C'est un peu comme un - vraiment comme un Frankenstein. C'est vrai. C'est juste, c'est vivant ! C'est juste, apportez le cœur, commencez simplement à le perfuser, cela revient vivant. Et ça commence à se contracter. Et puis on peut y faire des expériences.
(40:40) Pour visualiser les signaux électriques, nous utilisons ce qu'on appelle la cartographie optique. Vous mettez un colorant qui est un colorant de tension qui pénètre dans la membrane du cœur. Et ces colorants absorbent la lumière à une fréquence et émettent à une fréquence différente. Que le pic d'émission est fonction de la tension. Ainsi, lorsque la tension change, les spectres d'émission changent. Ainsi, la quantité de lumière que vous obtenez à une fréquence donnée change. Ainsi, vous pouvez mettre des filtres dans la caméra et ensuite vous visualisez directement dans tout l'espace le signal électrique comme un changement dans l'intensité de la lumière. Et puis on peut visualiser les ondes en spirale cette forme. Nous pouvons voir les ondes spirales réellement dans la vraie vie, nous pouvons voir les ondes spirales tourner, les ondes spirales se briser, comment elles s'initient et comment pouvons-nous réellement lorsque nous faisons le stimulus, comment les perturbons-nous de manière à ce qu'elles puissent continuer ou se terminer. C'est donc assez étonnant que nous puissions maintenant faire ces expériences dans de vrais cœurs, dans de vrais cœurs humains.
Strogatz (42:38): C'est vraiment incroyable. Je veux dire, parce que c'est quelque chose, vous savez, je m'intéresse personnellement à ce genre de question sur les médias excitables et les arythmies cardiaques depuis que j'ai travaillé avec un monsieur nommé Art Winfree il y a longtemps, au début des années 1980. Et à cette époque, il n'y avait que les débuts de la visualisation des ondes sur les cœurs. Mais c'était surtout théorique. Nous avons imaginé des vagues en spirale. Nos analogues mathématiques et chimiques nous ont dit qu'il devrait y avoir des ondes en spirale ou leur généralisation tridimensionnelle, des ondes de défilement. Mais l'idée que vous pouviez en voir un sur un cœur humain était assez fantastique. Et maintenant vous le faites. Nous devrions probablement finir par essayer de penser à l'avenir. Qu'imaginez-vous sur la route, le travail théorique et expérimental que vous et votre groupe avez fait ? Quel est votre rêve sur où cela pourrait mener?
Fenton (43:27) : Je pense que ce que nous recherchons tous, c'est que nous pouvons défibriller les cœurs avant qu'ils ne commencent et savoir quand quelque chose va développer une défibrillation et comment y mettre fin avec des impulsions à très faible énergie. Il s'avère qu'il existe maintenant une autre façon d'essayer de défibriller - utilise la lumière. Il y a donc des groupes qui ont travaillé sur l'ajout de canaux ioniques dans les cellules cardiaques qui peuvent être excitées par la lumière. Ainsi, vous pouvez réellement stimuler ou non-stimuler avec de la lumière, en fonction de l'intensité et de la longueur d'onde. Il semble qu'il soit possible à l'avenir de créer cette application pour rendre les cellules excitables par la lumière. Et puis, à un moment donné, vous pourrez peut-être même défibriller en mettant simplement une lumière à l'intérieur de votre système et défibriller de cette façon sans avoir à utiliser un choc électrique. C'est ce qu'on appelle l'optogénétique. Et il y a de nombreux groupes aux États-Unis et en Europe qui travaillent là-dessus.
Strogatz (44:19) : Waouh. Ça, c'est vraiment de la pensée futuriste. Incroyable! Permettez-moi simplement de vous remercier infiniment, Flavio, d'être parmi nous aujourd'hui. Cela a été une conversation fascinante. Donc, nous avons parlé ici avec Flavio Fenton, qui étudie la dynamique cardiaque à l'École de physique de Georgia Tech. Merci encore beaucoup de nous avoir rejoint, Flavio.
Fenton (44:37): Oh, Steve. Cela a été mon plaisir. Merci beaucoup de m'avoir reçu.
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Strogatz (45: 16): La joie du pourquoi est un podcast de Quanta Magazine, une publication éditorialement indépendante soutenue par la Fondation Simons. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur la sélection des sujets, des invités ou d'autres décisions éditoriales dans ce podcast ou dans Quanta Magazine. La joie du pourquoi est produit par Susan Valot et Polly Stryker. Nos éditeurs sont John Rennie et Thomas Lin, avec le soutien de Matt Carlstrom, et Zach Savitsky [ainsi que Nona McKenna et Saugat Bolakhe]. Notre thème musical a été composé par Richie Johnson. Julian Lin a proposé le nom du podcast. L'art de l'épisode est de Peter Greenwood et notre logo est de Jaki King. Remerciements particuliers à Bert Odom-Reed des Cornell Broadcast Studios. Je suis votre hôte, Steve Strogatz. Si vous avez des questions ou des commentaires pour nous, s'il vous plaît écrivez-nous à Merci d'avoir écouté.
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