Introduzione
Il sistema elettrico del cuore mantiene sincronizzate tutte le sue cellule muscolari. Un duro colpo al petto nel momento sbagliato, tuttavia, può creare ondate indisciplinate di eccitazione elettrica anormale che sono potenzialmente mortali. Il tipo di aritmia risultante potrebbe essere ciò che ha causato il giocatore di football Damar Hamlin dei Buffalo Bills a crollare sul campo dopo aver subito un potente colpo durante una partita della National Football League del 2023. Oggi vengono solitamente utilizzati potenti defibrillatori per aiutare a risincronizzare i cuori in difficoltà. Ma Flavio Fentone, che studia la dinamica elettrica del cuore, racconta a Steve Strogatz di un nuovo metodo in fase di sviluppo per il trattamento delle aritmie stimolando il cuore con shock lievi e con tempi precisi, o forse anche con la luce.
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Trascrizione
Steven Strogatz (00:03): Sono Steve Strogatz, e questo è La gioia del perché, un podcast da Quanta Magazine che ti porta in alcune delle più grandi domande senza risposta in matematica e scienze oggi. In questo episodio, chiederemo come possiamo usare la matematica e la fisica per fermare l'aritmia cardiaca mortale.
(00:21) Forse ricorderete l'orribile scena che si è verificata durante una recente partita di football professionistico, quando la sicurezza dei Buffalo Bills Damar Hamlin è crollata sul campo dopo aver subito un colpo fragoroso. Una teoria è che lo schianto che ha preso alla cassa toracica ha interrotto il ritmo del suo cuore, facendo andare in tilt le sue normali onde elettriche. La condizione risultante nota come fibrillazione ventricolare può uccidere qualcuno in pochi minuti perché impedisce al cuore di pompare efficacemente il sangue al corpo e al cervello. E mentre i compagni di squadra sbalorditi di Damar Hamlin e milioni di telespettatori guardavano per quella che sembrava un'eternità, il personale medico ha lottato per rianimarlo.
(01:01) Nell'istante in cui Flavio Fenton ha visto il filmato del colpo, ha capito cosa era successo. Fenton è un professore alla School of Physics della Georgia Tech e le aritmie cardiache sono la sua specialità. Fenton studia i modelli matematici e computazionali delle aritmie e le strane onde a spirale che sono alla base di esse. E conduce anche esperimenti su cuori di animali e su cuori umani donati. Spera di trovare un modo per fermare le aritmie senza dover utilizzare le tradizionali piastre del defibrillatore che inviano un'enorme scarica di elettricità attraverso l'intero corpo del paziente. Invece, Fenton sta cercando di combattere le onde con le onde. Sta facendo le sue onde per spegnere le perniciose onde a spirale che possono mandare un cuore allo sbando. L'obiettivo è trovare un modo più delicato e meno dannoso per trattare le aritmie.
(01:50) Flavio, grazie per esserti unito a noi oggi e parlaci dell'incredibile lavoro che stai facendo.
Flavio Fentone (01:55): Oh Steve, grazie mille per avermi ospitato. È un piacere essere qui.
Strogatz (01:58): Come funziona il cuore quando funziona correttamente?
Fenton (02:01): Il cuore è un sistema straordinario. E una delle cose che vorrei dire, è una delle cose che penso ci separi un po': come indaghiamo sulle aritmie, sto cercando di farlo dal punto di vista di un fisico. La maggior parte delle persone che indagano sulle aritmie cardiache sono ingegneri biomedici o cardiologi. Quindi abbiamo provato a farlo dal punto di vista di come la fisica lavora nella modellazione del cuore.
(02:21) L'evoluzione del cuore in diverse specie animali ha modi diversi di come funziona il cuore, ma il punto principale è contrarsi. Quindi cercano di contrarsi in modo da poter espellere il sangue e far circolare sangue ossigenato nel corpo. Cuori di mammifero, abbiamo quattro camere. Abbiamo due atri e due ventricoli. Sono collegati, ma elettricamente scollegati.
(02:40) Quindi il modo in cui funziona è che hai alcune cellule che sono auto-oscillatrici, si chiamano cellule del nodo senoatriale. Danno inizio al battito del cuore. E poi per diffusione si propaga attraverso gli atri, e poi dagli atri va al nodo AV che è l'unica parte che collega i ventricoli dagli atri. E poi va nei ventricoli, e poi i ventricoli si contraggono. Gli atri sono fondamentalmente camere riceventi. Quindi il sangue riceve negli atri e poi gli atri lo inviano ai ventricoli, che inviano il sangue ai polmoni o al corpo. Quindi quello che invia il sangue al corpo è il ventricolo sinistro. Quindi questa è la parte più... più spessa del cuore, è la centrale elettrica del cuore.
(03:16) La cosa principale è la contrazione, che è un problema di fluidodinamica, ma nasce da un segnale elettrico che fa contrarre le cellule. Poiché le cellule cardiache hanno una membrana che separa l'interno dall'esterno. Quindi ci sono diverse concentrazioni di ioni tra l'interno e l'esterno. Quindi, a riposo, sono depolarizzati in generale a circa meno 80 millivolt o meno 75 millivolt. Quando si eccitano, la tensione supera la soglia, circa 10 millivolt. Quindi c'è un'ampiezza di circa 10 millivolt, che cambia la tensione. E quando la tensione è al di sopra della soglia per circa 200 millisecondi, il calcio viene rilasciato nelle cellule. E il calcio è ciò che produce poi la contrazione. Quindi la contrazione è guidata in realtà da un segnale elettrico.
(04:00) Quindi, quando cerchi di indagare su come il cuore fallisce, ci sono molti modi in cui i cuori falliscono. Ce ne sono di meccanici e di elettrici. Quindi scherziamo sempre sul fatto che quando abbiamo persone che studiano la dinamica del cuore e le aritmie del cuore, puoi separarle in elettricisti e idraulici. Quindi sono principalmente un elettricista. Quindi sono più interessato a come i disturbi elettrici danno inizio alle aritmie, ma possono anche essere meccanici. E proviamo a lavorare insieme per combinare insieme, ma gli studi su cui indago sono quelli guidati da questi disordini nella propagazione elettrica.
Strogatz (04:35): Bene. Sono contento che tu faccia questa distinzione tra gli aspetti elettrici e fluidi, meccanici o idraulici del cuore, perché trovo che quando ascolto la TV, o semplicemente ascolto le persone conversare, forse hanno un parente o un amico, e diranno: "Questa persona ha avuto un grave attacco di cuore". Oppure potrebbero dire "quella persona ha avuto un'insufficienza cardiaca". O poi senti la frase "arresto cardiaco". Quindi penso che nella mente del pubblico, tutti e tre suonano come qualcosa che non vuoi che ti succeda. Ma non sono la stessa cosa. Ma sentiamo dire, cosa intendi per infarto contro insufficienza cardiaca contro arresto cardiaco?
Fenton (05:18): Quindi, quando hai, per esempio, un infarto, quello che succede è che quando il cuore si contrae, manda sangue al corpo, ma manda anche sangue a se stesso. Quindi alla base dell'aorta, dove il sangue va al corpo, ci sono due arterie che partono e scendono attraverso tutto il cuore. E quando il cuore pompa il sangue a se stesso, si ossigena. È così che il cuore si mantiene in vita. Quindi quello che succede è che quando uno di quei vasi viene bloccato - per ostruzione, quando hai il colesterolo alto e poi un vaso si blocca - allora il sangue non va a quella sezione del cuore. Quindi quella sezione del cuore non sarà ossigenata. Perde l'eccitabilità e quindi può iniziare effettivamente un'aritmia guidata dal sistema di conduzione elettrica (che ti dirò tra un secondo). A seconda di dove si verifica il blocco, se si verifica molto in basso nei rami, viene colpita solo una piccola sezione del cuore. Se accade molto in alto, viene colpita un'ampia sezione del cuore e quella sezione del cuore può morire, smettere di contrarsi.
(05:18) E ci sono due cause che possono verificarsi quando hai un attacco di cuore. O l'intero cuore smette di contrarsi o inizia un'aritmia, che è la fibrillazione ventricolare. Questa aritmia può verificarsi perché c'è una sezione del cuore che non si contrae, non permette la propagazione delle onde. Quindi le onde inizieranno a formare questi schemi complicati che possono formarsi. Questo è quello che succede quando hai, fondamentalmente, un infarto.
(06:38) L'insufficienza cardiaca è quando il cuore alla fine inizia a cambiare nel tempo, trasformandosi in modo tale da poter diventare più spesso, per esempio. Esistono molti tipi diversi di insufficienza cardiaca, ma il cuore diventa più spesso e la contrazione diminuisce. Quindi non puoi contrarre anche tu. Quindi la frazione di eiezione diminuisce e quindi non puoi ossigenare bene il tuo corpo. E questo richiede trattamenti diversi, medicine e, nel peggiore dei casi, devi sottoporti a un trapianto di cuore. Quando hai una morte cardiaca improvvisa, è un'aritmia che si verifica quando ricevi questi disturbi nel segnale elettrico e inizi un'aritmia complicata.
(07:17) Fondamentalmente, quello che succede è che hai delle onde elettriche che si propagano. Ma queste onde possono essere disturbate e produrre onde a spirale. Puoi effettivamente avere un'onda a spirale di attività elettrica che ruota attorno ai ventricoli o agli atri. E quelli faranno contrarre il cuore più velocemente. Perché si scopre che queste onde a spirale, quando si formano nel cuore, ruotano più velocemente del pacemaker naturale. Quindi prendono il controllo del cuore a un ritmo più veloce. Ed è quella che si chiama tachicardia. Puoi avere tachicardia nei ventricoli o negli atri, a seconda delle camere. Le onde a spirale, in generale, possono destabilizzarsi relativamente facilmente. Ci sono molti meccanismi che possono produrlo.
(07:57) E queste sono alcune delle cose su cui indaghiamo. Quindi non rimangono troppo a lungo stabili e si rompono in più onde a spirale. Quando hai più onde a spirale, ogni sezione del cuore avrà piccole onde a spirale che ruotano molto velocemente. Ma poi possono essere fuori fase. Quindi quello che succede a tutto il cuore è che ora non sta pompando, anche più velocemente. È solo che ogni parte del cuore batte nella propria fase. Quindi il cuore sta solo tremando. Non sta nemmeno pompando, quindi sta solo tremando. E non può pompare sangue. Quindi, quando non viene pompato sangue, muori in pochi secondi.
(08:25) Quindi l'unico modo in cui hai un caso del genere, devi venire con un defibrillatore e stimolare tutte le cellule con un campo elettrico molto ampio che defibrilla il tessuto. Questo defibrillatore esterno inizia con 150 joule e può arrivare fino a 300 joule. C'è molta energia da defibrillare. Perché quando lo richiedi, per eccitare tutte queste cellule cardiache contemporaneamente, allora termini le onde a spirale. Questi campi elettrici, sì, sono davvero enormi. E poi possono eccitare tutto il corpo intorno a te, tutti i muscoli, quindi possono essere piuttosto dolorosi.
(08:57) Tanto per fare un paragone, l'energia necessaria per muovere un muscolo è di circa 0.001 joule. Ecco perché ci vuole un'eternità per perdere peso quando sei sul tapis roulant. Richiede molto movimento dei muscoli per perdere un po' di energia, per perdere peso. Questo ti dice quanto sono forti questi campi elettrici per la defibrillazione.
Strogatz (09:15): Grazie. È stato un tutorial molto carino. Quindi immagino sia chiaro da quello che hai detto, non stiamo parlando di insufficienza cardiaca in questo episodio. E non stiamo davvero parlando di attacchi di cuore, tranne nella misura in cui possono - uccidendo un pezzo di cuore - possono creare le circostanze per la rotazione di onde a spirale o altri problemi elettrici. Voglio dire, è proprio di questo che vogliamo parlare.
(09:36) Quindi hai menzionato la tachicardia, dove le onde fanno battere il cuore così velocemente che non pompa così efficacemente come farebbe normalmente. O nel peggiore dei casi, fibrillazione, che devo dirti quando ero uno studente laureato. Avevo un professore di ingegneria biomedica che ci ha portato in una scuola di medicina per sentire davvero un cuore in fibrillazione nelle nostre mani. Ed è un'esperienza piuttosto indimenticabile. Ed è molto strano e sfuggente. Come hai detto tu, tremando o tremando. Sembrano vermi, vero? Sembra quasi che ci siano tutti questi vermi che si dimenano nella tua mano, mentre metti la mano su un cuore.
Fenton (10:13): Nella letteratura, molte persone incluse Arte Winfree, diceva che quando visualizzi il cuore in fibrillazione, è come se i vermi si muovessero nel substrato, giusto? E quando vedi un cuore in fibrillazione, ecco come appare: come i vermi sottostanti che guidano la struttura della contrazione.
Strogatz (10:29): Come dici tu, è estremamente pericoloso. Morirai in pochi secondi o minuti perché il sangue non viene pompato efficacemente al cervello o al corpo. Ma se torniamo ora a questo caso di Damar Hamlin, cosa pensi che gli sia successo quando è stato colpito?
Fenton (10:44): Quindi non saremo mai sicuri di quello che succede, giusto? Ma molto probabilmente quello che sarebbe potuto accadere - questo è quello che ho pensato all'inizio quando è successo - è che il modo in cui avvii le onde a spirale nel cuore, rompi la simmetria delle onde.
(10:57) Vorrei iniziare con una proprietà di questi sistemi eccitabili come il cuore. Un altro sistema eccitabile simile al cuore è, ad esempio, il fuoco. Il fuoco si eccita e si propaga. Produce un'onda che si propaga. Ma vedi, non puoi mai bruciare quel fuoco dietro un'ondata di fuoco che passa, giusto? Perché non c'è erba da bruciare. Quindi, quando si hanno due onde del sistema eccitabile che si scontrano, come nel caso del cuore, onde elettriche nel cuore, o due fronti di fuoco, quando si scontrano, si annichilano a vicenda. Non è come le onde dell'acqua, quando si incrociano. Queste onde, quando si scontrano, si annichilano a vicenda. È facile vederlo nel caso dell'incendio, perché dietro l'ondata di fuoco non c'è più niente da bruciare. Ed è così che dicono sempre i vigili del fuoco: "il modo in cui combatti il fuoco è con il fuoco". È perché per terminare un'onda di fuoco, usi un'altra onda in direzione opposta che si scontra e le termina. Questo ti dà questi - quello che viene chiamato un periodo refrattario, che dietro un'onda, c'è un po' di tempo prima che tu possa eccitare di nuovo un'altra onda. Nel caso dell'incendio boschivo, l'attesa è lunga perché devi aspettare che l'erba cresca di nuovo, così puoi bruciare di nuovo l'erba.
(12:04) Un altro esempio di sistema eccitabile è una toilette. La toilette è un perfetto esempio di sistema eccitabile. Hai bisogno di una soglia di eccitazione. Quindi quando muovi la maniglia del gabinetto, la muovi un po' e non succede niente. Ma se tirate lo sciacquone, beh, per mettere abbastanza forza su una soglia, oltrepassate quella soglia per muovere la maniglia, allora c'è un rilascio di acqua. E poi non puoi più rilasciare acqua perché devi aspettare che si riempia di nuovo. Quindi questo è un rilascio di eccitazione dopo. E devi aspettare un po' di tempo prima di poter tirare di nuovo lo sciacquone. Quindi la stessa cosa per la cellula cardiaca. Una volta che la cellula si eccita, devi aspettare un po' di tempo prima che si ecciti di nuovo.
Quindi cosa succede: immagina di avere un'onda che si propaga e dietro l'onda che vuoi eccitare. Quindi, se è davvero refrattario, non puoi eccitarlo lì perché la cellula non risponderà. Ma se hai aspettato un po' di tempo dopo che l'onda è passata, allora puoi eccitare, e puoi produrre un'onda che si propaga, giusto? Ora immagina tra quei momenti - tra il momento in cui sei troppo vicino all'onda, o troppo lontano dall'onda fino in fondo in modo da poter eccitare un'attivazione - nel mezzo c'è una regione in cui parte del tessuto sarà refrattario quindi non puoi propagare ma parte del tessuto può eccitarsi. In modo che in realtà rompa la simmetria della propagazione dell'eccitazione. E può produrre fondamentalmente si propaga in una direzione ma fallisce la propagazione in un'altra direzione. Ed è così che si formeranno le onde a spirale.
Strogatz (13:26): Forse dovresti darci un po' di visuale. Voglio dire, perché sento la parola "spirale" e tutti sanno cosa immaginare quando pensano a una spirale. Ma cos'è che fa un'onda a spirale? Puoi in qualche modo guidarci attraverso di essa? Ho menzionato le onde a spirale rotanti, dimmi come immaginare cosa sta succedendo.
Fenton (13:41): Immagina di avere un'onda, solo un'onda di qualcosa, giusto? Come allo stadio, come quando hai l'onda messicana e fai emozionare tutti. Quindi ora, immagina che ci sia un'onda. Quindi hai un fronte di persone che si alzano, e poi il resto delle persone dietro l'onda, si alzano e poi finalmente si siedono.
Strogatz: Sì.
Fenton (13:57): Esatto. Quindi hai un'onda con una certa larghezza. Quindi ora, pensa solo alla parte anteriore e posteriore, giusto? Hai la parte anteriore dell'onda e la parte posteriore dell'onda, e pensa che si sta solo propagando attraverso lo stadio. Ora, immagina di rompere l'onda dal fondo dello stadio alla cima dello stadio, giusto? Quindi hai un'onda lì. Ma immagina di eccitare solo metà dello stadio dal basso verso l'alto. Quindi hai un fronte d'onda e un'onda indietro. Ma è un continuum. Quindi se continui dove la parte anteriore e quella posteriore devono unirsi, ci sarà un punto in cui chiameremo la fase, giusto? La fase dell'onda anteriore e quella dell'onda posteriore si incontreranno. E nel punto in cui si incontrano c'è quella che viene chiamata una singolarità di fase, e lì la fase non è definita. È esattamente dove la parte anteriore dell'onda coincide con la parte posteriore dell'onda. Ecco allora che crei un'onda a spirale. Quando rompi un fronte, e poi crei che il retro e il davanti si incontrino, e poi inizierà a ruotare attorno a quel punto di singolarità.
(14:52) E in realtà, l'abbiamo fatto qui al Georgia Tech solo per mostrarlo un po' più facilmente. Abbiamo raccolto 600 studenti e li abbiamo messi su una griglia. E poi abbiamo dato loro istruzioni simili alle attivazioni negli stadi, che se il tuo vicino è eccitato con le mani alzate, tu alza le mani. Quindi, se inizi con un calcio d'angolo, ottieni un'onda che si propaga come negli stadi. Ma quello che abbiamo fatto è iniziare con una rottura della simmetria. Nel caso in cui, al centro del quadrato degli studenti, diciamo all'inizio che c'è una fila di studenti che si entusiasmeranno, ma non fino in cima, solo metà del dominio. E poi diciamo loro che la primissima volta, se eri da una parte, verrai attivato, ma se sei dall'altra parte di questi studenti che hanno le mani alzate, tieni le mani abbassate. La prima volta. Quindi questo rompe la simmetria. Quindi l'onda si propagherà solo in una direzione. Ma l'onda, come dicevo, va solo dall'inizio del quadrato degli studenti fino al centro. Questa onda inizierà, produrrà effettivamente un'onda a spirale con gli studenti che muovono le braccia.
Strogatz (15:51): [Ride] Hai un film di questo? C'è qualche video che possiamo guardare su YouTube o qualcosa del genere?
Fenton (15:54): Sì, ce ne sono un paio Video di Youtube su quello. Posso darti un link a quelli.
Strogatz (15:55): Mandaci il link, perché penso che lo collegheremo nelle note del programma. Quindi le persone possono dare un'occhiata a questo. Sembra piuttosto drammatico.
Fenton (16:04): E sembra migliore quando acceleri, quindi acceleriamo un po' il video in modo che sia più veloce, così puoi vedere l'onda a spirale. E questa onda a spirale continuerà lì a ruotare finché gli studenti avranno energia, giusto? Finché possono… Questa è la cosa importante di queste onde a spirale: una volta che si formano, prendono il controllo del sistema. E poi, in realtà, una cosa interessante che abbiamo osservato lì è che poiché gli studenti non prestano sempre attenzione - a volte non prestano un'attenzione completa - così mentre l'onda passa, a volte possono eccitarsi un po' prima o poco dopo. Dicono: "Oh, l'onda è passata", quindi si attivano più tardi. Allora questo destabilizza abbastanza da poter effettivamente spezzare l'onda a spirale in più onde a spirale. Quindi in realtà mostriamo come la fibrillazione possa avvenire così facilmente dalla destabilizzazione di queste attivazioni tra le cellule, che in questo caso erano gli studenti.
Strogatz (16:50): Ne parli a causa di Damar Hamlin. Qual è la connessione?
Fenton (16:53): Esatto. La prima è come le onde a spirale formano un'aritmia, giusto? Quindi la domanda è come si è formata un'onda a spirale nel caso di Damar Hamlin. Quello che pensiamo accada si chiama Commotio Cordis, che è quando le cellule cardiache non solo vengono eccitate dai vicini, ma hanno canali ionici che sono canali attivati dall'allungamento. Ciò significa che se tocco un cuore e premo su un cuore, posso produrre un'attivazione. Quindi puoi stimolare un cuore con un campo elettrico o una scossa elettrica. Ma se premo - nel caso in cui stavi parlando di quando stavi toccando un cuore, se avessi schiacciato il cuore, potresti effettivamente attivare molte, molte, molte cellule nel cuore, che potrebbero effettivamente defibrillare. Quindi è così che a volte lo fanno nei casi in cui hanno il torace aperto e prima di ricevere scosse elettriche per la defibrillazione, a volte massaggiare il cuore può effettivamente aiutare a iniziare un'onda o terminare un'aritmia. Ma dovevano essere toccati direttamente nel cuore. Ma fondamentalmente, ogni volta che allunghi le cellule, possono produrre un'attivazione.
(17:51) Quindi, quando è stato colpito al petto, è stato uno shock così forte che ha effettivamente deformato un po' la parte anteriore del suo petto, ma è stato anche abbastanza per perturbare il cuore e comprimerlo. E non solo, ma è successo nel peggior momento possibile. Per ottenere l'inizio delle onde a spirale, come ho detto, deve essere esattamente sull'onda di ritorno in una particolare finestra vulnerabile quando l'onda sta passando e ti ecciti.
(18:17) Quindi quando vedete nei film dell'ospedale, quando avete l'ECG, l'elettrocardiogramma, che è ciò che vi mostra il segnale elettrico del cuore. Vedete un piccolo segnale chiamato QRS e poi onda T, o il segnale elettrico del ventricolo. Quindi ciò che misura è l'intero segnale elettrico di tutte le cellule mentre si propagano e si eccitano, è la misurazione globale di tutte le cellule del cuore. Quindi l'assassino è il grande picco che vedi per primo è l'attivazione del cuore. L'onda che si sta propagando attraverso il cuore che dà inizio all'onda. E la fine dell'onda è quell'onda T che vedete sull'ECG, la piccola gobba più piccola alla fine del segnale. Questa è la fine dell'onda.
(18:57) Quindi, se eccitate, se perturbate il cuore esattamente durante la fine di quell'onda, durante la fine dell'onda T, è allora che potete effettivamente iniziare un'aritmia. Quindi quello che è successo è che è stato colpito abbastanza forte, alcune cellule si sono attivate. Ed è stato colpito esattamente quando il suo cuore stava finendo di attivarsi durante l'onda T. E questo ha avviato le onde a spirale che poi hanno avviato la fibrillazione. Se fosse stato colpito solo un paio di millisecondi dopo, 20 millisecondi dopo o 20 millisecondi prima, potrebbe non essere andato in fibrillazione.
Strogatz (19:30): Sì, sì, sì. Voglio dire, abbiamo bisogno di una spiegazione del genere perché le persone nel calcio e in altri sport di contatto vengono colpite continuamente. E solleva la domanda, perché non vedi più di questi eventi con persone che collassano e hanno fibrillazione. Quindi stai dicendo che devi essere molto sfortunato. Devi essere colpito durante la tua fase vulnerabile.
Fenton (19:51): E molto difficile, vero?
Strogatz: E ha colpito molto forte.
Fenton (19:53): Ciò che accade effettivamente durante la Commotio Cordis è che ci sono statistiche secondo cui il 50% dei casi si verifica da persone che giocano a baseball. Nel baseball hai una palla dura e veloce che può davvero eccitare: colpirti spesso al petto. Quindi il 50% dei casi di Commotio Cordis che arrivano in ospedale, provengono dal baseball. E molto spesso succede ai giovani perché non sono abbastanza sviluppati che quando vieni colpito al petto, la pressione può arrivare al cuore. Quindi tende ad essere più persone che praticano sport in cui puoi essere colpito da una pallina. Così è successo anche, ad esempio, con l'hockey. Chris Pronger negli anni '1990, nel 1998, nei playoff è stato colpito da un disco. E anche lui è andato giù. E il suo caso è molto interessante perché non è andato subito, come Damar Hamlin, è andato subito, è andato subito a terra. Nel caso di Chris, ci ha messo un paio di secondi in più. La mia ipotesi è che il colpo, quando è iniziato, abbia prodotto solo un'unica onda a spirale che ha impiegato del tempo per rompersi. E ha ottenuto VT prima di andare a VF. E nel caso di Damar, probabilmente è passato a VF molto rapidamente. Ed è per questo che ha perso conoscenza subito.
Strogatz (21:00): Quindi, TV - tachicardia ventricolare. FV — fibrillazione ventricolare. È ancora più mortale. Torniamo per un secondo alla questione della defibrillazione, perché hai menzionato l'incredibile: ho sentito bene? Hai detto qualcosa come centinaia di joule necessari? O usato oggigiorno nei defibrillatori?
Fenton (21:18): Giusto, quindi se è esterno va da 120 a 360. Se è interno, può arrivare fino a 20. Beh, "basso". Venti joule, ma è comunque doloroso.
Strogatz (21:27): Se un paziente parla di come ci si sente ad essere defibrillati, come lo descrivono?
Fenton (21:32): Molto spesso quando hai la fibrillazione perdi i sensi. Quindi non lo sentirai molto spesso. Ma nel caso della fibrillazione atriale - a volte hai la fibrillazione atriale - devi andare dai dottori, e poi faranno una defibrillazione, devono fare uno shock. Nel caso di un mio studente, mi dice che ha avuto la fibrillazione atriale e che è andato in ospedale e lo hanno cardiovertito, e per farlo gli hanno dato un sedativo, quindi è stato sedato. E poi dice che ricorda di aver sentito qualcuno urlare. E poi dopo gli hanno detto di no, era lui che urlava per lo shock, ma non si ricordava che fosse lui. Quindi lo shock è abbastanza grande da essere doloroso. Ecco perché ti sedano. Ed è per questo che in realtà è molto importante quando fanno una defibrillazione, devono collegarla all'ECG. Perché come ho detto, quando entrano nella defibrillazione dell'AF, ti colleghi all'ECG, quindi sai, quando fai lo shock, non lo fai durante l'onda T o alla fine dell'onda T. Perché allora puoi iniziare la fibrillazione nei ventricoli. Loro sempre, ogni volta che ti defibrillano, si collegano all'ECG, e poi fanno lo shock al momento giusto.
Strogatz (22:33): Quindi ora hai menzionato - e non credo che finora abbiamo enfatizzato questa distinzione, quindi dovremmo, probabilmente dovremmo - fibrillazione atriale contro fibrillazione ventricolare. Ricordo che alcuni anni fa avevamo un presidente - penso che fosse il presidente George Bush, il più anziano, il padre di George W. Bush - che, se ricordo bene, aveva la fibrillazione atriale come una forma cronica... come se ci convivesse . Se ricordo bene.
Fenton (22:33): Sì, penso di sì.
Strogatz (22:40): La fibrillazione ventricolare, se non trattata, sarà mortale.
Fenton: Giusto.
Strogatz (23:01): Perché non stai pompando sangue. Ma la fibrillazione atriale è qualcosa con cui puoi convivere?
Fenton (23:06): Sì. Quindi questa è la cosa bella di questa separazione, come dicevi. Se la fibrillazione si verifica nei ventricoli, devi defibrillare in pochi secondi, minuti, giusto? Che più tempo impieghi per defibrillare, più difficile è defibrillare, perché il tessuto diventa meno eccitabile, perché c'è meno ossigeno, e quindi hai meno ossigeno al cervello. E le possibilità di recupero sono molto basse. Quindi devi davvero defibrillare molto velocemente nei ventricoli. Negli atri: gli atri e il ventricolo sono fisicamente collegati ma elettricamente disconnessi. Quindi, quando hai la fibrillazione negli atri, i ventricoli possono ancora contrarsi, non completamente o regolarmente, ma possono contrarsi e inviare sangue al corpo. Quindi fibrillazione atriale, puoi vivere ma hai sempre... Ti senti stanco. Non puoi davvero muoverti perché i ventricoli non si stanno contraendo bene come potrebbero. Inoltre, poiché gli atri non pompano sangue continuamente, parte del sangue può rimanere lì ed è più facile produrre coaguli di sangue. I coaguli possono entrare nel corpo e quindi può darti un ictus.
(24:05) Quindi, quando hai la FA, aumenta le tue possibilità di avere un ictus. E AF, succede alla maggior parte delle persone quando invecchiano. Beh, non la maggior parte delle persone, ma invecchiando ci sono molte più possibilità di avere la FA. Circa 2.2 milioni di persone negli Stati Uniti hanno AF. Ad esempio, il 70% delle persone con FA ha tra i 65 e gli 85 anni. E una delle cose interessanti di AF è che inizia lentamente. L'onda inizia a rompersi e a produrre onde a spirale, ma poi scompaiono. Se ne vanno. Quindi auto termina. Ma mentre continuano ad apparire, tirano fuori di più, più a lungo appare, più a lungo rimangono. Quindi più spesso ottieni AF, più lunghi sono gli episodi e più difficile è terminare.
(24:46) Quindi, se hai iniziato a sviluppare la fibrillazione atriale, vuoi provare ad andare dal dottore e ottenere farmaci o altri metodi che si chiamano, come, ablazione. Possono entrare con un catetere e poi bruciare sezioni degli atri. Quindi queste onde non hanno abbastanza spazio per ruotare e poi si auto-terminano. Quindi ci sono metodi per cercare di terminare le aritmie. E funzionano meglio quanto prima scopri di avere la fibrillazione atriale perché più a lungo - è molto interessante - come succede, rimodella anche il tessuto. Quindi il tessuto diventa un po' più grande e anche l'elettrofisiologia lo rimodella. Quindi ogni volta che hai più fibrillazione, è più facile continuare la fibrillazione più a lungo finché non diventa sostenuta. E una volta sostenuto, l'unico modo per farlo è fondamentalmente questo tipo di ablazioni che devono andare lì.
Strogatz (25:31): Quindi entriamo nella sezione finale della nostra discussione qui, che è quella di concentrarci davvero sul lavoro che tu e i tuoi studenti, postdoc e colleghi avete svolto per combattere le onde con le onde. Allora perché non iniziamo con cosa avete escogitato voi e il vostro team di ricerca come alternativa alla classica defibrillazione di cui abbiamo parlato finora?
Fenton (25:52): Quindi una delle cose belle dell'elettrofisiologia del cuore è che si abbina davvero bene con quello che chiamiamo in fisica o in matematica, matematica applicata, un "sistema eccitabile". Un sistema eccitabile ha dietro molta matematica che può essere utilizzata per sistemi non lineari o sistemi caotici per indagare la dinamica di queste attivazioni che possono avvenire nello spazio, nel tempo e nello spazio. Quindi la cosa bella è che in realtà, quando hai la fibrillazione, che sono più onde a spirale, la dinamica non è casuale. Puoi scrivere equazioni del moto per descrivere come accade. E abbiamo dimostrato - e anche altre persone hanno dimostrato - che può essere caotico. Quindi la dinamica della fibrillazione è caotica. E poiché è caotico, non è casuale, ci sono modi in cui puoi controllare. Puoi effettivamente indagare su come si comporteranno le aritmie, in modo da poter effettivamente perturbare e in un modo particolare con piccole perturbazioni e controllo.
(26:42) La cosa bella dei sistemi caotici, come sappiamo, è che ci sono orbite periodiche che puoi formare nel tempo. E puoi trovare modi per perturbare in un momento particolare con una forza particolare che può essere molto piccola e controllare il sistema. Quindi una delle cose che possiamo fare è sapere quando perturbare con piccoli shock invece di un grande shock. Quindi sviluppiamo un paio di metodi, e anche altre persone hanno lavorato in quest'area, che abbiamo cercato di capire come utilizzare dinamiche non lineari e approcci caotici che utilizzano sistemi caotici per ridurre al minimo le perturbazioni che possono effettivamente lavorare su terminare o controllare un sistema.
(27:17) Quindi immagina — non so se questa è una buona analogia — ma quando hai una scatola con un sacco di monete, e vuoi mettere tutte le monete in un bordo, puoi forse fare un grande mescola, e poi tutte le monete andranno da una parte, giusto? Ma invece, puoi fare piccoli piccoli mescolamenti e, a poco a poco, puoi spostare le monete in un bordo. Quindi questa è l'idea principale, che se puoi perturbare in un determinato momento in luoghi particolari con poca energia, allora puoi effettivamente sincronizzare il sistema e terminare le aritmie.
(27:42) È stato molto bello perché l'abbiamo iniziato da un punto di vista teorico, facendo poi alcune simulazioni numeriche. E poi siamo passati agli esperimenti in vitro e poi in vivo dove in realtà siamo stati in grado di defibrillare i cuori usando solo il 10% dell'energia. Quindi, invece di usare gli shock di grande energia, puoi usare il 10%, un paio di shock come quello e defibrillare. Quindi immagina, cosa preferisci, se dovessi essere colpito da Mike Tyson: preferisci uno shock o un paio di schiaffi? Quindi probabilmente è meglio avere qualche schiaffo anche se probabilmente sono molto dolorosi, ma meno dolorosi dell'unico grande colpo, giusto? Quindi questa è l'idea principale che puoi fare piccoli piccoli shock e poi controllare il sistema. Abbiamo lavorato su diversi metodi per applicare quell'idea. E finora abbiamo avuto successo.
Strogatz (28:28): L'idea è qualcosa del tipo, so che a volte quando hai un'onda a spirale, arrivano con una manualità che potrebbero esserci alcuni che sono, per così dire, destrorsi e altri mancini. Vengono in coppia, spesso. E se ne colpisci uno mancino con uno destro, spariranno entrambi. È questo il genere di cose che stai facendo? Stai cercando di iniettare un'onda a spirale per colpire un'onda a spirale esistente? O stai cercando di allontanare un'onda a spirale dal cuore, o cosa?
Fenton (28:53): Beh, si scopre che in realtà, questo è quello che succede alla fine, o questo è il requisito alla fine, che devi defibrillare. Ogni volta che hai la fibrillazione, hai molte onde a spirale. E hai onde a spirale che ruotano in senso orario e onde a spirale che ruotano in senso antiorario. E quando compaiono, devi eliminarli tutti. E il modo in cui li termini tutti è abbinando ciascuno con la sua controparte. Quindi, quando fai il grande shock, è effettivamente quello che stai facendo. Ecciti tutto il tessuto, in modo tale da connettere tutte le onde a spirale da una direzione alle onde a spirale dall'altra direzione. Quindi, se ecciti tutto il tessuto, lo fai istantaneamente.
(29:27) Quindi recentemente siamo usciti con una teoria che utilizza la dinamica dello spazio delle fasi in cui puoi effettivamente mappare le dinamiche del sistema non nello spazio fisico, ma in uno spazio delle dinamiche delle variabili del sistema. Questo in realtà può dirti dove perturbare. E si scopre che quando torni nello spazio fisico, il modo più semplice per terminare un'aritmia è proprio quello di fare uno stimolo lungo il bordo dietro l'onda che collega un'onda a spirale con la loro controparte onda a spirale. E quel meccanismo in realtà lo chiamiamo "teletrasporto" perché un'onda a spirale che si trova in un punto, puoi effettivamente spostarla efficacemente con uno stimolo da qualche altra parte. Così istantaneamente potete spostarlo da un punto del dominio a un altro spazio mediante uno stimolo che è ben progettato attraverso la parte posteriore dell'onda, dell'onda a spirale. Quindi, per defibrillare, devi teletrasportare tutte le onde a spirale che sono in senso orario con controparti che sono in senso antiorario. E se lo fai con l'energia più bassa, riesci a defibrillare con l'energia più bassa.
Strogatz (30:26): Sembra molto interessante. Ma posso immaginare che i medici si oppongano per alcuni motivi. Per prima cosa, sai, quando è una questione di vita o di morte, come se una persona avesse solo pochi secondi, puoi capire perché vogliono usare i paddle. Funziona. Se stai descrivendo qualcosa che richiede misurazioni e tempi precisi, non ti diranno: “Non abbiamo tempo per questo. Non possiamo fare quelle misurazioni. Questa persona giace a terra”.
Fenton (30:52): Esatto. No, hai perfettamente ragione. Quando parli di alcune cose che sono davvero la vita e la morte. Quindi questo è il caso qui. Con i metodi di defibrillazione a bassa energia che abbiamo sviluppato, funzionano ovviamente a livello computazionale e funzionano in laboratorio. Ma per fare in modo che funzionino sempre, ovunque, deve essere progettato in modo particolare. Quindi proprio ora, quando hai i produttori che producono defibrillatori, dicono: "In questo momento funziona", giusto? L'idea principale, funziona in questo momento, perché vogliamo abbassare? Quello che dobbiamo fare è assicurarci di poter sviluppare queste teorie applicabili che abbiano sempre successo anche a bassa energia.
(31:28) Quindi puoi provare a farlo prima come prima approssimazione. E se no, se fallisce, allora fai il grande shock. Devi assicurarti che quando li applichi, non aspetti troppo a lungo, quindi è troppo difficile defibrillare alla fine.
(31:39) In questo momento, molti dei defibrillatori impiantabili, quello che fanno è prima di fare un forte shock, cercano di fare quello che viene chiamato ATP, stimolazione anti-tachicardia. Quando si forma un'aritmia, in genere inizia con un'onda a spirale che si sviluppa in multipli. Quindi l'idea principale è che una volta che l'algoritmo rileva che hai la fibrillazione nei ventricoli, proveranno a stimolare un ritmo un po' più veloce della rotazione delle onde a spirale per vedere che possono influenzare l'onda e terminarla. Quindi fanno un po' di questo ATP. E poi se non funziona, allora vanno per lo shock.
Strogatz (32:11): Sto solo pensando che sia interessante la psicologia delle persone che fabbricano i defibrillatori impiantabili o i dottori che li usano nei loro pazienti, che sono disposti a fare questo tipo di più delicato - presumo questo ATP, il ritmo anti-tachicardia, che è una sorta di tentativo più gentile o più benigno di salvare il cuore prima di dargli l'esplosione, l'esplosione impiantabile. Quindi sembrano già aperti a questo tipo di idea per provare qualcosa di più mite prima di tirare fuori la grossa pistola.
Fenton (32:41): Esatto. Quindi questo è qualcosa nel mezzo. L'ATP viene eseguito con un elettrodo collegato al... Quindi i defibrillatori in generale eseguono una scarica elettrica tra un elettrodo che si trova nei ventricoli e il defibrillatore stesso. Quindi è così che creano un campo elettrico tra quei due. E quando fanno l'ATP, si basano solo sull'elettrodo che si trova sul ventricolo. Una delle idee che abbiamo è quella di provare a eseguire la defibrillazione a bassa energia usando solo invece di quei due - l'elettrodo e la base del defibrillatore - per eseguire gli shock a bassa energia. Ma richiede ancora del tempo e dobbiamo lavorare per assicurarci di dimostrare sempre che la defibrillazione è sempre sicura e efficace.
(33:19) Ma dal mio punto di vista di fisico, penso sia sorprendente che siamo stati in grado di comprendere molte delle dinamiche delle aritmie semplicemente usando i concetti di sistemi eccitabili che esistono, che esistono da molti anni, per descrivere la dinamica degli oscillatori chimici e cose del genere. E la teoria può essere applicata. E in realtà, numericamente, possiamo sempre vedere che funziona. E andiamo agli esperimenti. E possiamo effettivamente vedere che funziona.
(33:44) Quindi la cosa entusiasmante è che il solo utilizzo di questi concetti può essere applicato per sviluppare nuove tecniche di nuovi modi per defibrillare, che non è solo il metodo che è stato appena scoperto, che solo un grande shock funzionerà, a patto che perché è molto forte. Quindi c'è ancora molta strada da fare per assicurarsi che questo sia applicabile. Ma la teoria c'è. E penso che questo sia ciò che è eccitante. Quindi la parte ingegneristica di come farlo funzionare con successo e affidabilità, sì, è una lunga strada da percorrere. Ma abbiamo lo sfondo da dove cominciare.
Strogatz (34:14): Oh, è fantastico. Sai, come persona che fa matematica da solo, sono entusiasta che tu abbia queste idee teoriche che potrebbero rivelarsi salvavita o migliorare la qualità della vita per le persone che ne hanno bisogno. Quindi lascia che ti faccia solo alcune domande sui dettagli di questo. Voglio chiederti della parte informatica e della parte sperimentale. Allora perché non iniziamo con il computer? Questi calcoli sembrano difficili. Ho letto da qualche parte che hai bisogno di qualcosa come 40 o 50 equazioni differenziali, equazioni differenziali non lineari per ogni cella perché presumo che tu stia tenendo traccia delle conduttanze ioniche, delle tensioni e delle concentrazioni. Quindi sono equazioni difficili solo per una cella e poi hai molte celle da gestire. Come si fanno questi calcoli? Stai usando i supercomputer? Stai usando schede grafiche o cosa?
Fenton (35:04): Sì, per quantificare la tensione elettrica nella cella, devi tenere conto di tutti i canali ionici esistenti e di tutte le correnti che vi passano, oltre alla dinamica del calcio. Quindi puoi andare come fisico alla ricerca della mucca sferica - in questo caso, la cellula sferica. E fai modelli più semplici che hanno solo due variabili. Due variabili sono sufficienti per darti la dinamica di come accadrà in generale. Ma se vuoi essere più preciso sulle dinamiche cellulari e su tutta la complessità che esiste lì, puoi iniziare a usare i modelli che le persone hanno sviluppato nel corso degli anni. Gli ingegneri biomedici hanno sviluppato modelli complessi. Alcuni dei modelli includono fino a 100 equazioni differenziali solo per una cella. Puoi immaginare che il numero di variabili che hai è di migliaia. Maggiore è il numero di variabili che hai, [maggiore] il numero di dati sperimentali necessari per assicurarti di non essere in un minimo reale, non in un minimo locale. Ma a prescindere, questi modelli devono essere utilizzati per indagare un po' su come funziona.
(36:16) Quindi, quando studi questi modelli nello spazio, ora devi tenere conto di tutte le cellule cardiache. E a volte numericamente, devi discretizzare anche più breve della discretizzazione delle cellule cardiache a causa del modo in cui modelliamo la diffusione dell'attività elettrica attraverso la cellula. Quindi hai finito per avere milioni di cellule cardiache che dovevi simulare quando passavi a cuori realistici 2D o 3D. Quindi la maggior parte delle volte le persone usano i supercomputer. Quindi è necessario utilizzare i supercomputer per simulare l'attività elettrica. E a volte ci vogliono molte, molte ore per fare solo un paio di secondi. È un grosso, un grosso problema. Ci sono metodi per cercare di accelerare le dinamiche. Puoi usare metodi adattivi nel tempo e nello spazio e modi più complicati che noi e molte altre persone abbiamo fatto. Così puoi eseguire le simulazioni più velocemente.
(36:46) Negli ultimi 10-15 anni, lo sviluppo delle schede grafiche per il gioco ha permesso di fare molto spesso le simulazioni con i supercomputer. A volte puoi eseguirli su un PC o anche su un laptop, puoi avere migliaia di processori nella GPU e sviluppare le simulazioni utilizzando questi programmi che possono avere accesso non alla CPU, ma alla GPU, che ha più processori per accelerare le dinamiche che stanno tracciando sullo schermo.
(37:12) Quindi quello che succede è che invece di usare i pixel che hai usato per tracciarlo sullo schermo per la colorazione, puoi usarli per tenere conto delle variabili per il modello che vuoi fare. Quindi puoi quindi utilizzare le informazioni dei pixel per ogni variabile del sistema. E poi più variabili sono le celle nella GPU e la eseguono molto, molto velocemente in parallelo.
Strogatz (37:33): Voglio sottolineare questo punto. Penso che sia notevole per le persone che non ci hanno pensato che tu pensi ai videogiochi come divertenti, ma un po' frivoli. Sai, è come se i bambini perdessero il loro tempo o semplicemente scherzassero, o anche gli adulti. Ma hanno escogitato una tecnologia per far giocare i giochi molto velocemente che può essere utile a persone come te che stanno cercando di calcolare le cose molto velocemente sulle cellule cardiache sparse nello spazio. Forse non è qualcosa che avresti immaginato come la via da seguire, ma si è rivelato un uso molto prezioso e molto creativo di questa tecnologia sviluppata per i videogiochi.
Fenton (38:08): Sì, negli ultimi 15 anni molte persone li hanno usati per il calcolo ad alte prestazioni. E poi Nvidia ha sviluppato il proprio linguaggio per farlo, questo linguaggio CUDA. Può essere un compilatore C in CUDA o anche un compilatore Fortran in CUDA. Sì, il mio vecchio consigliere Robert Gilmour diceva: “Prima spendevi un sacco di soldi per i computer. Ora devi spendere un sacco di soldi per le persone che codificano il software per i computer. Perché ora è così, non è necessario spendere soldi per il supercomputer: puoi spendere i soldi per un computer GPU economico. Ma ora è più complicato scrivere i codici per farlo.
(38:41) Ma ci sono molte lingue diverse là fuori. E abbiamo iniziato a lavorare con uno chiamato WebGL che ti consente di eseguire codici direttamente tramite il browser web. Quindi puoi effettivamente eseguire le simulazioni in un browser. Quindi sono indipendenti dal sistema operativo e indipendenti dal dispositivo. Quindi, finché la GPU è in grado di gestire la memoria del programma che desideri eseguire, puoi persino eseguirlo sul cellulare. Il cellulare è così potente. I vostri telefoni cellulari ora sono molto più potenti di tutti i calcoli che erano sui moduli lunari che abbiamo inviato. È incredibile quanto potere abbiano. Quindi puoi effettivamente simulare un cuore 3D - un piccolo cuore 3D, come un cuore di coniglio - su un cellulare di fascia alta. Possiamo fare simulazioni in tempo reale.
(39:23) Inoltre, la cosa bella è che possono, poiché usano i pixel che mostri sullo schermo per fare le simulazioni, puoi stimolare direttamente il tessuto in modo interattivo o modificare i parametri nella simulazione e vedere cosa succede mentre indaghi sulle dinamiche del sistema. E può essere fatto per qualsiasi sistema di reazione-diffusione o qualsiasi equazione alle derivate parziali. Quindi puoi farlo per la dinamica dei fluidi, puoi farlo per la crescita dei cristalli. Quindi, questa è la cosa bella delle GPU, delle schede grafiche. È così potente adesso. Possiamo fare questo tipo di simulazioni ora.
Strogatz (39:52): Quindi permettetemi di chiudere con voi sollevando solo la questione degli esperimenti. Li hai citati. Ma nella mia introduzione, ho detto che hai usato, oltre ai cuori degli animali... Naturalmente, la cosa davvero drammatica è usare veri cuori umani. E quindi capisco che hai avuto accesso a cuori umani da donatori, donatori di organi. Potresti parlarci un po' di questo e di cosa ti hanno insegnato?
Fenton (40:15): Sì, quindi per molti anni abbiamo sempre usato cuori di animali: conigli, porcellini d'India, a volte maiali. E quando ero alla Cornell, in realtà usavamo anche i cuori di cavallo, e un cuore di cavallo è enorme. È più grande di due palloni insieme. Sono fatti per correre. Quindi, quando apri un cavallo, l'interno che puoi vedere è principalmente polmoni e cuore.
(40:35) L'idea principale è cercare di ridurre al minimo l'uso di animali. E anche, cosa più importante, il caso principale, quello che volevamo studiare è il cuore umano. Quindi, quando sono venuto qui al Georgia Tech, ho provato a collaborare, ho collaborato con i cardiologi all'Emory, all'università di Emory nell'ospedale. E finalmente, dopo qualche anno, collaborando con un paio di cardiologi, siamo riusciti a scrivere alcuni protocolli con gli avvocati e permessi con i pazienti. Molto spesso quando un paziente riceve un trapianto di cuore, possiamo ottenere i cuori dal paziente. Ci chiamano e stiamo aspettando fuori dalla sala operatoria. Appena arriva il cuore nuovo e tirano fuori il cuore del malato, ce lo danno. Quindi posso prepararlo e portarlo al Georgia Tech, che è a 10 minuti da Emory, dall'ospedale. Quindi lo porto nel nostro laboratorio e posso perfonderlo con qualcosa di simile al sangue. Puoi usare quella che viene chiamata la soluzione di Tyrode, è una soluzione che ha tutti gli ioni necessari per mantenere in vita il cuore. E possiamo ravvivare il cuore. È un po' come un... davvero come un Frankenstein. Davvero è. È solo che è vivo! È solo, portate il cuore, iniziate a perfonderlo, che torna vivo. E inizia a contrarsi. E poi possiamo fare esperimenti lì.
(40:40) Per visualizzare i segnali elettrici, usiamo qualcosa chiamato mappatura ottica. Metti un colorante che è un colorante di tensione che va nella membrana del cuore. E questi coloranti assorbono la luce a una frequenza ed emettono a una frequenza diversa. Che il picco di emissione è una funzione della tensione. Quindi, al variare della tensione, cambiano gli spettri di emissione. Quindi la quantità di luce che ottieni a una data frequenza cambia. Quindi, puoi mettere alcuni filtri nella fotocamera e quindi visualizzare direttamente in tutto lo spazio il segnale elettrico come un cambiamento nell'intensità della luce. E poi possiamo visualizzare le onde a spirale quella forma. Possiamo vedere le onde a spirale effettivamente nella vita reale, possiamo vedere le onde a spirale che ruotano, le onde a spirale che si rompono, come si avviano e come possono effettivamente quando facciamo lo stimolo, come le stiamo perturbando in modo tale che possano continuare o terminare. Quindi è piuttosto sorprendente che ora possiamo effettivamente fare quegli esperimenti nei veri cuori, nei veri cuori umani.
Strogatz (42:38): È davvero incredibile. Voglio dire, perché questo è qualcosa, sai, personalmente sono stato interessato a questo tipo di domande sui media eccitabili e sulle aritmie cardiache sin da quando ho lavorato con un signore di nome Art Winfree molto tempo fa, nei primi anni '1980. E in quei giorni c'erano solo gli inizi della visualizzazione delle onde sui cuori. Ma soprattutto era teorico. Abbiamo immaginato onde a spirale. I nostri analoghi matematici e chimici ci hanno detto che dovrebbero esserci onde a spirale o la loro generalizzazione tridimensionale, onde di scorrimento. Ma l'idea che tu potessi davvero vederne uno su un cuore umano era piuttosto fantastica. E ora lo stai facendo. Probabilmente dovremmo concludere cercando di pensare al futuro. Cosa immagini lungo la strada, il lavoro teorico e sperimentale che tu e il tuo gruppo avete svolto? Qual è il tuo sogno su dove questo potrebbe portare?
Fenton (43:27): Penso che quello che stiamo tutti cercando è che possiamo defibrillare i cuori prima che inizino e sapere quando qualcosa svilupperà la defibrillazione e come terminarli con impulsi di energia molto bassa. Si scopre che ora c'è un altro modo per provare a defibrillare: usare la luce. Quindi ci sono alcuni gruppi che hanno lavorato sull'aggiunta di canali ionici nelle cellule cardiache che possono essere eccitate con la luce. Quindi puoi effettivamente stimolare o non stimolare con la luce, a seconda dell'intensità e della lunghezza d'onda. Sembra che in futuro sia possibile creare questa applicazione per rendere le cellule eccitabili con la luce. E poi a un certo punto, forse puoi persino defibrillare semplicemente inserendo una luce all'interno del tuo sistema e defibrillare in quel modo senza dover usare una scossa elettrica. Questo si chiama optogenetica. E ci sono molti gruppi negli Stati Uniti e in Europa che lavorano su questo.
Strogatz (44:19): Wow. Questo, questo è un pensiero davvero futuristico. Sorprendente! Lasciami solo dire grazie mille, Flavio, per esserti unito a noi oggi. Questa è stata una conversazione affascinante. Quindi, abbiamo parlato qui con Flavio Fenton, che studia dinamica cardiaca alla School of Physics del Georgia Tech. Grazie ancora per esserti unito a noi, Flavio.
Fenton (44:37): Oh, Steve. Questo è stato il mio piacere. Grazie mille per avermi ospitato.
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Strogatz (45: 16): La gioia del perché è un podcast di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente supportata dalla Simons Foundation. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla selezione di argomenti, ospiti o altre decisioni editoriali in questo podcast o in Quanta Magazine. La gioia del perché è prodotto da Susan Valot e Polly Stryker. I nostri redattori sono John Rennie e Thomas Lin, con il supporto di Matt Carlstrom e Zach Savitsky [così come Nona McKenna e Saugat Bolakhe]. Il nostro tema musicale è stato composto da Richie Johnson. Julian Lin ha inventato il nome del podcast. La grafica dell'episodio è di Peter Greenwood e il nostro logo è di Jaki King. Un ringraziamento speciale a Bert Odom-Reed dei Cornell Broadcast Studios. Sono il tuo ospite, Steve Strogatz. In caso di domande o commenti da farci, inviare un'e-mail a Grazie per l'ascolto.
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