الحياة والطب
بروتينات وخلايا وأعضاء ومرضى وأوبئة: علم الأحياء من المقياس الجزيئي إلى مقياس السكان.
تُحاكى الأحياء على كل مستوى من التنظيم: الذرات في بروتين، والتفاعلات في خلية، والخلايا في نسيج، والأعضاء في جسد، والأجساد في مجتمع. ولكل مستوى طريقة مختلفة. وربط المستويات بعضها ببعض لا يزال مسألة مفتوحة.
انطواء البروتين وديناميكياته
بروتين على هيئة عشرات الآلاف من الذرات، يرتجف ويطوي نفسه ويغيّر شكله في الماء.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تنطوي سلسلة الأحماض الأمينية هذه لتكوّن بنية ثلاثية الأبعاد وظيفية؟
يُغفل: حتى التشغيلات الطويلة تغطي ميكروثوانٍ على الأكثر، وهي أقصر بكثير من أزمنة الطيّ الحقيقية الكثيرة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود من وحدات GPU يشغّل ميكروثوانٍ من الديناميكا الذرية الكاملةمنذ: 1977 أول محاكاة لديناميكا بروتين لماكاموم وجيلان وكاربلوسفي شجرة المحاكيات: ديناميكا البروتين
الالتحام الجزيئي وارتباط الأدوية
جزيئات أدوية مرشَّحة تُجرَّب في جيب بروتين مستهدف.
السؤال الذي تجيب عنه: أي جزيء من مليون جزيء سيلتصق بهذا الهدف؟
يُغفل: درجات الإرساء تقريبية؛ ومعظم الرابطات المتنبأ بها لا تنجح قط في المختبر.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يرسّي ملايين الجزيئات المرشَّحةمنذ: 1982 DOCK، أول برنامج آلي للالتحام الجزيئي لكونتز وزملائه
الأغشية والقنوات الأيونية
الغشاء الدهني للخلية والبوابات البروتينية التي تمرّر الأيونات عبره.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تفتح الخلية العصبية قنواتها وتغلقها؟
يُغفل: تنفتح القنوات الحقيقية وتنغلق على مدى ميلي ثوانٍ، أطول بكثير مما تبلغه معظم المحاكاة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود من وحدات GPU يحاكي طبقة دهنية ثنائية وقنواتهامنذ: 1982 ديناميكا الطبقة الثنائية الدهنية لدى فان دير بلوغ وبيرنديسن
جسيمات فيروسية كاملة
كل ذرة في غلاف فيروس، أحيانًا مئة مليون منها، تُحاكى دفعة واحدة.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يتماسك الفيروس، وكيف يتفكك داخل الخلية؟
يُغفل: تغطي التشغيلات من نانوثوانٍ إلى ميكروثوانٍ، وهي أقصر بكثير من دورة عدوى حقيقية.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي حاسوب فائق وطني يحاكي غلافًا من مئة مليون ذرةمنذ: 2006 محاكاة فريدولينو وشولتن لفيروس فسيفساء التبغ التابع
انطواء الحمض النووي الريبي وبنيته
خيط RNA كسلسلة من القواعد تقترن بنفسها، فتنطوي إلى شكل ثلاثي الأبعاد محدد بدل اللولب المزدوج المستقيم للـ DNA.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تستقر سلسلة من الحمض النووي الريبي على الشكل الذي يتيح لها العمل كمحفِّز أو كمفتاح تنظيمي؟
يُغفل: تحتاج البنى المتنبَّأ بها غالبًا إلى تصحيح تجريبي، ولا تتبع الوظيفة الشكل تلقائيًا.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تشغّل برنامج طيّ بالطاقة الحرةمنذ: 1981 خوارزمية زوكر وستيغلر لطي الحمض النووي الريبي بأدنى طاقة حرة
الحفز الإنزيمي
الموقع النشط لإنزيم وركيزته والبروتين المحيط، يُنمذَج بالميكانيكا الكمية حيث تنكسر الروابط وبالميكانيكا الكلاسيكية في سواه.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يسرّع هذا الإنزيم تفاعلًا بمقدار مليار مرة؟
يُغفل: جزء صغير فقط من البروتين يحظى بالمعالجة الكمومية المكلفة، واختيار موضع هذا الحدّ قرار نمذجة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل حسابات كمومية وتقليدية مجتمعةمنذ: 1976 النموذج الكمي والكلاسيكي المشترك لتفاعل إنزيمي لدى وارشيل وليفيت
نماذج DNA وRNA ذات الحبيبات الخشنة
كل نوكليوتيد جسم صلب بعدة مواقع تفاعل، مما يتيح محاكاة الطيّ والتهجين والبنى النانوية.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تقترن الخيوط وتنطوي وتتجمع في بنى مصمَّمة؟
يُغفل: يُستعاض عن التفاصيل الذرية والأيونات بتفاعلات فعّالة.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي ملايين النيوكليوتيدات على المعالجات الرسوميةمنذ: 2011 oxDNA, a coarse-grained DNA model (2011) المصدر
التنبؤ المتعلَّم ببنية البروتين
شبكة عصبية مدرَّبة على بنى معروفة وبيانات تطورية تتنبأ بالشكل المطوي لبروتين انطلاقًا من تسلسله.
السؤال الذي تجيب عنه: أي شكل ثلاثي الأبعاد تنطوي عليه سلسلة الأحماض الأمينية هذه؟
يُغفل: يعطي بنية ساكنة، لا مسار الانطواء ولا ديناميكياته.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي تدريب بمقياس واسع؛ دقائق لكل تنبؤمنذ: 2018 Improved protein structure prediction using potentials from deep learning (2020, CASP13 entry 2018) المصدر
مجموعات البروتين التوليدية
نموذج توليدي مدرَّب على بنى ومحاكاة ينتج تشكيلات كثيرة لبروتين بدل شكل واحد.
السؤال الذي تجيب عنه: ما الأشكال البديلة التي يمكن أن يتخذها بروتين؟
يُغفل: مجموعات الحالات ليست أفضل من محاكاة التدريب.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي التدريب مع أخذ عيّنات رخيصمنذ: 2024 AlphaFold meets flow matching for generating protein ensembles (2024) المصدر
الديناميكا الجزيئية بحوسبة المتطوعين
آلاف المسارات القصيرة المستقلة لجزيء واحد تُشغَّل على حواسيب منزلية متبرَّع بها وتُجمَع لرؤية أحداث الطي.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تستطيع تشغيلات قصيرة كثيرة معًا أن تكشف عملية جزيئية بطيئة؟
يُغفل: المسارات قصيرة ومستقلة، لذا يجب خياطة الإحصاءات معاً.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي مجموع آلات المتطوعينمنذ: 2000 Screen savers of the world unite! (2000), the distributed folding project المصدر
الكيمياء الحيوية العشوائية
تفاعلات داخل خلية تُطلق واحدًا تلو الآخر عشوائيًا، لأن عدد الجزيئات أقل من أن يُحسب له متوسط.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا تتصرف خلايا متطابقة وراثياً تصرفاً مختلفاً؟
يُغفل: يفترض عادة أن داخل الخلية مختلط جيداً، وهذا كثيراً ما لا يصح.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تشغّل محاكاة تفاعلات عشوائيةمنذ: 1977 خوارزمية جيليسبي العشوائية الدقيقة للحركية الكيميائية
شبكات التنظيم الجيني
جينات يشغّل بعضها بعضًا ويطفئه، كشبكة تفاعلات.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تقرّر الخلية أي نوع من الخلايا ستصير؟
يُغفل: معظم شبكات التنظيم الحقيقية معروفة جزئيًا فقط، فتُستنتج الروابط غالبًا.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحاكي ديناميكا شبكة جيناتمنذ: 1969 الشبكات المنطقية العشوائية لكوفمان في تنظيم الجينات
الشبكات الأيضية
كل تفاعل كيميائي تستخدمه الخلية لتحويل الغذاء إلى طاقة وأجزاء، موازَن كشبكة تدفقات.
السؤال الذي تجيب عنه: أي جين ينبغي إيقافه ليُنتج هذا الميكروب مزيداً من مركّب مفيد؟
يُغفل: يفترض حالة مستقرة وهدفًا أمثل قد لا تسعى إليه الخلية الحقيقية.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحلّ نموذج توازن تدفق على مستوى الجينوممنذ: 1986 تحليل توازن التدفق المبكر لشبكة الأيض في الخلية
النماذج الخلوية الكاملة
كل جين وكل فئة جزيئات في بكتيرة واحدة، يُتتبَّع عبر دورة انقسام كاملة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكننا التنبؤ بخلية حية من قائمة أجزائها؟
يُغفل: لم يُنمذَج بهذا الاكتمال إلا بكتيريا بسيطة واحدة.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل دورة انقسام واحدة لجرثومةمنذ: 2012 النموذج الشامل للخلية لـ Mycoplasma genitalium من كار وزملائه
تشكّل الأنماط
مواد كيميائية تنتشر وتتفاعل عبر نسيج ينمو، وهي الآلية التي اقترحها آلان تورينغ للخطوط والبقع.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تفسّر آليات التفاعل والانتشار أنماط فراء الحيوانات وتشكّل الأصابع في الطرف؟
يُغفل: تستخدم الأنسجة الحقيقية قوى ميكانيكية وإشارات أكثر من نموذج بمادتين كيميائيتين.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحلّ معادلات التفاعل والانتشار على شبكةمنذ: 1952 حسابات تورنغ للانتشار والتفاعل في The Chemical Basis of Morphogenesisفي شجرة المحاكيات: التفاعل–الانتشار عند تورينغ
نمو الأنسجة والأورام
خلايا فردية تنقسم وتتحرك وتتنافس على الأكسجين وتموت.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف ينمو ورم، وكيف يمكن لجدول علاجي أن يوقفه؟
يُغفل: يصعب قياس معدلات الانقسام والموت داخل ورم حقيقي مباشرة.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يتتبّع آلاف الخلايا المنقسمة الفرديةمنذ: 1993 نماذج مبكرة بالأوتومات الخلوية لنمو الورم الصلب
نماذج استجابة الخلية للاضطراب
نموذج مدرَّب على بيانات الخلية الواحدة يتنبأ بكيفية تغيّر التعبير الجيني في خلية بعد دواء أو تعديل جيني لم يُقَس معه.
السؤال الذي تجيب عنه: ماذا ستفعل الخلية بعد تدخل لم يجرّبه أحد بعد؟
يُغفل: ارتباطي؛ يستقرئ بشكل سيئ إلى أنواع الخلايا أو الأدوية البعيدة عن بيانات التدريب.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي مجموعات تدريب كبيرة للخلية الواحدةمنذ: 2019 scGen predicts single-cell perturbation responses (2019) المصدر
نماذج قائمة على الوكلاء لتطور الأورام
خلايا سرطانية فردية على شبكة تنقسم وتتحور وتتنافس في وسط مجهري متغير من الأكسجين والحمض.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف ينشأ شكل الورم وصفاته العدوانية من ضغط الانتقاء؟
يُغفل: القواعد مبسّطة، وغالبًا ما يغيب الإمداد الدموي والخلايا المناعية.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي ملايين الخلايا على عقدة واحدةمنذ: 2006 Tumor morphology and phenotypic evolution driven by selective pressure from the microenvironment (2006) المصدر
نماذج الأيض للمجتمعات الميكروبية
شبكات أيضية على مستوى الجينوم لأنواع عدة تُوصَل بحيث تصبح فضلات أحدها غذاءً لآخر.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تتشارك ميكروبات الأمعاء أو التربة العناصر الغذائية وتستقر معًا؟
يُغفل: يفترض حالة مستقرة ونموًا أمثل، متجاهلًا التنظيم والمكان.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي البرمجة الخطية عبر أنواع كثيرةمنذ: 2007 Metabolic modeling of a mutualistic microbial community (2007) المصدر
نمو الأورام والاستجابة للعلاج
ورم صلب يُعامَل ككتلة تتغذى بأكسجين ومغذٍّ منتشرين، بحافة متكاثرة متنامية ونواة نخرية محرومة من الغذاء، ثم يُعرَّض لإشعاع أو أدوية.
السؤال الذي تجيب عنه: ما سرعة نمو الورم، وما مقدار انكماشه بجرعة معيّنة؟
يُغفل: تتباين الأورام الحقيقية بين المرضى وداخل نفسها. ويستخدم النموذج معاملات متوسطة وهندسة مبسّطة.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي نموذج تفاعل وانتشار ثلاثي الأبعاد بجداول علاج على مدى أسابيع من الزمن المُحاكى.منذ: 1972 Greenspan, models for the growth of a solid tumour by diffusion. المصدر
تطور البيئة المجهرية للورم
خلايا سرطانية فردية على شبكة تتنافس على الأكسجين والمكان، بينما تنتقي تدرّجات الحموضة أنماطًا ظاهرية جديدة، فيتطور الورم أثناء نموه.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يدفع النسيج المحيط ورمًا نحو خلايا أكثر غزوًا؟
يُغفل: قواعد الخلايا مبسّطة، ومعاملاتها يصعب قياسها في الأورام الحية.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي تشغيلات هجينة وكيلية-متصلة على مدى أشهر محاكاة على محطة عمل أو عنقود صغير.منذ: 2006 النموذج الهجين المنفصل المتصل لأندرسون وزملائه لتطور النمط الظاهري بدفع من البيئة الدقيقة. المصدر
نمو الأوعية الدموية الذي يحفزه الورم
تنبت الخلايا البطانية وتهاجر صعودًا على تدرج كيميائي يطلقه ورم، مكوّنة شبكة أوعية متفرعة تغذيه.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يجنّد الورم إمدادًا دمويًا، وماذا يحدث إن حُجبت الإشارة؟
يُغفل: جريان الأوعية وإعادة تشكّلها والكيمياء الحقيقية للإشارات مبسّطة كثيراً.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي عمليات تبرعم ثنائية أو ثلاثية الأبعاد على حاسوب مكتبي.منذ: 1998 نماذج أندرسون وشابلين المتصلة والمنفصلة لتكوّن الأوعية الذي يحفّزه الورم. المصدر
ديناميكا استجابة السرطان للأدوية ومقاومته لها
تتغير مجموعات من الخلايا السرطانية العادية والحساسة والمقاومة تحت العلاج الدوائي، فيتحسن المريض أولًا ثم قد ينتكس.
السؤال الذي تجيب عنه: كم يمكن لدواء أن يسيطر على المرض قبل أن تظهر المقاومة؟
يُغفل: لا تُنمذَج إلا الحجرات التي يمكن قياسها، ويُستنتج سلوك الخلايا الجذعية.
تعمل على: نحو 108 FLOPS تقريبي معادلات تفاضلية عادية مُلاءَمة لقياسات دم المرضى.منذ: 2005 Michor and colleagues, dynamics of chronic myeloid leukaemia. المصدر
ديناميكا إنتاج خلايا الدم
الخلايا الجذعية والسلفية وخلايا الدم الناضجة مرتبطة بتغذية راجعة ذات تأخيرات، فتنتج أعداداً مستقرة أو تذبذبات حين يختل التحكم.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا تتذبذب بعض اضطرابات الدم دورياً، وما الذي يعيد الإنتاج الطبيعي؟
يُغفل: للنقي الحقيقي بنية مكانية وأنواع خلايا كثيرة تُجمَّع معًا.
تعمل على: نحو 106 FLOPS تقريبي معادلات تفاضلية ذات تأخير على حاسوب محمول.منذ: 1978 Mackey, a unified hypothesis for aplastic anaemia and periodic haematopoiesis. المصدر
نمو المستعمرات البكتيرية والأغشية الحيوية
تُحاكى كل خلية بكتيرية كفرد بحجمه ونموه وموضعه، يتغذى على مغذٍّ منتشر داخل مستعمرة أو غشاء حيوي.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تتخذ المستعمرات شكلها، وكيف تنجو الخلايا في داخلها؟
يُغفل: سلوك الخلايا مبسّط، وكيمياء مصفوفة الأغشية الحيوية الحقيقية غير ملتقطة.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي نمو قائم على الأفراد لملايين الخلايا على عنقود.منذ: 1998 Kreft, Booth and Wimpenny, BacSim, a simulator for individual-based modelling of bacterial colony growth. المصدر
القلب
موجات كهربائية عبر عضلة القلب والانقباض وتدفق الدم اللذين تقودهما.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيزيد هذا الدواء أو الجهاز اضطراب ضربات القلب سوءاً؟
يُغفل: لا يزال الاختلاف الفردي بين القلوب الحقيقية يصعب التقاطه في نموذج واحد.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل نبضة واحدة من الميكانيكا الكهربائية للقلب كاملًامنذ: 1960 النموذج الحاسوبي لنوبل لجهد الفعل في خلية ألياف بوركينجي واحدة؛ ونماذج القلب كاملًا جاءت لاحقًا المصدرفي شجرة المحاكيات: نموذج خلية القلب
تدفق الدم
دم يتحرك عبر الشرايين والأوردة وأجهزة مثل الدعامات والصمامات.
السؤال الذي تجيب عنه: أين يُرجَّح أن يضعف هذا الشريان أو ينسدّ؟
يُغفل: جدران الأوعية تُعامَل غالباً صلبة، فتفوّت المرونة الحقيقية.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل محاكاة تدفق في شريان خاص بمريضمنذ: 1989 النموذج بالعناصر المحدودة لتدفق الشريان السباتي عند بيركتولد وزملائه
التنفس والمجاري الهوائية
هواء يتحرك عبر المجاري الهوائية المتفرعة والجسيمات التي يحملها.
السؤال الذي تجيب عنه: أين تنتهي الأدوية المستنشقة أو الملوثات؟
يُغفل: تستخدم معظم النماذج شجرة مجرى هوائي مثالية واحدة بدل شجرة شخص بعينه.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يحاكي تدفق الهواء عبر شجرة مجارٍ هوائية متفرعةمنذ: 1993 نماذج ديناميكا الموائع المبكرة لتدفق الهواء في الشجرة القصبية
الميكانيكا الحيوية العضلية الهيكلية
عظام ومفاصل وعضلات كمنظومة ميكانيكية مترابطة، تمشي وترفع وتسقط.
السؤال الذي تجيب عنه: أي عضلات تتحمل الجهد، وكيف ينبغي أن يُشكَّل هذا الغرس؟
يُغفل: القوى داخل طرف حقيقي تُقدَّر بطريق غير مباشر، لا تُقاس.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحلّ نموذجًا عضليًا هيكليًا لحركة واحدةمنذ: 1990 النماذج الحاسوبية لديلب وزملائه لحركة الجهاز العضلي الهيكلي
الاستجابة المناعية
خلايا مناعية وممرضات تلتقي وتتكاثر وتتبادل الإشارات داخل الجسم.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا تزول بعض العدوى وتصبح أخرى مزمنة؟
يُغفل: الإشارات المناعية الحقيقية أعقد بكثير مما يتتبعه أي نموذج كاملًا.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل محاكاة مناعية قائمة على العملاءمنذ: 1992 نموذج الأوتومات الخلوي للاستجابة المناعية عند سيلادا وسيدن
الحركيات الدوائية
دواء يُمتصّ وينتشر عبر حجرات الجسم ثم يتحلل ويُطرح.
السؤال الذي تجيب عنه: أي جرعة، وكم مرة، لشخص بهذا العمر والوزن؟
يُغفل: نموذج متوسط المجتمع قد يفوته كيف يتعامل مريض بعينه مع دواء.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحلّ نموذجًا دوائيًا مقسّمًا إلى حجراتمنذ: 1937 نموذج تيوريل ثنائي المقصورة لتوزّع الدواء
التجارب السريرية بالمحاكاة الحاسوبية
مجموعات من المرضى الافتراضيين بتباين واقعي، يُعطَون علاجًا قبل تجربة حقيقية أو إلى جانبها.
السؤال الذي تجيب عنه: من يُرجَّح أن يفيده هذا العلاج، ومن قد يضره؟
يُغفل: ما زال المنظِّمون يشترطون تجارب حقيقية إلى جانبها. ولا يمكن للمرضى الافتراضيين أن يحلّوا محلّها كليًا.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل آلاف المرضى الافتراضيينمنذ: 2011 بحلول 2011، تجارب مبكرة في السيليكون قُدمت مع أدلة لجهاز
التوائم الرقمية للقلب
نماذج للقلب مُلاءَمة لفحوص مريض واحد وإشاراته، وتُستخدم للتنبؤ بكيفية استجابة ذلك القلب لعلاج ما.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف سيستجيب قلب هذا المريض لعلاج معيّن؟
يُغفل: تعتمد جودة الملاءمة على بيانات التصوير، وخصائص الأنسجة مستنتجة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي تشغيلات كهروميكانيكية مخصَّصة مع ملاءمةمنذ: 2020 The 'Digital Twin' to enable the vision of precision cardiology (2020) المصدر
نماذج تنبؤية عصبية للمناطق الحسية في الدماغ
شبكة عصبية مدرَّبة على استجابات مسجَّلة تصبح بديلًا عن منطقة دماغية، فيختبر الباحثون في السيليكون المثيرات التي تُحفّز العصبونات أكثر.
السؤال الذي تجيب عنه: أي منبّه يحفّز عصبوناً معيّناً بأشد قوة؟
يُغفل: تحتاج التنبؤات إلى التحقق على النسيج الحقيقي وتغطي الحيوانات المختبَرة فقط.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تدريب على تسجيلات، ثم تجارب افتراضية بلا حدودمنذ: 2019 Inception loops discover what excites neurons most using deep predictive models (2019) المصدر
نماذج مجالات تحفيز الدماغ
تتبّع نماذج رأس بالعناصر المنتهية كيف ينتشر التيار من الأقطاب أو الملفات عبر فروة الرأس والجمجمة ونسيج الدماغ.
السؤال الذي تجيب عنه: أين في الدماغ يقع المجال الكهربائي من جهاز التحفيز؟
يُغفل: موصلية الأنسجة غير مؤكدة، والاستجابة العصبية لا تُحاكى.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي حلول بالعناصر المنتهية على شبكات رأس فرديةمنذ: 2009 Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation (2009) المصدر
نماذج تعرّض الدواء للسكان الافتراضيين
نماذج انتقال الدواء في الجسد كله تُشغَّل عبر سكان اصطناعيين يتباينون في العمر والجينات ووظائف الأعضاء.
السؤال الذي تجيب عنه: كم ستختلف مستويات الدواء بين الأطفال وكبار السن ومرضى الأعضاء؟
يُغفل: يعتمد على بيانات مقيسة للإنزيمات والناقلات.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي آلاف الأشخاص الافتراضيين على حاسوب مكتبيمنذ: 2009 The Simcyp population-based ADME simulator (2009) المصدر
نماذج مجتمعات الميكروبيوم المعوي
عشرات الأنواع البكتيرية في الأمعاء تتفاعل بالتنافس والتغذية المتبادلة، وتُتتبَّع وفرتها عبر الزمن في ظل اضطراب الحمية أو المضادات الحيوية.
السؤال الذي تجيب عنه: أي أنواع تبقى مستقرة في الأمعاء، وأي اضطراب قد يقلب المجتمع؟
يُغفل: تُستنتج قوى التفاعل من بيانات مشوّشة وقد لا تصدق خارج الظروف المعيَّنة.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي ملاءمة لوتكا–فولتيرا المعمَّمة ومحاكاة المجتمع الأيضي على محطة عمل.منذ: 2013 شتاين وزملاؤه، النمذجة البيئية من استنتاج السلاسل الزمنية للمكروبيوتا المعوية. المصدر
التخطيط الجراحي بنماذج خاصة بالمريض
يُحوَّل فحص تصويري إلى نموذج تشريحي شخصي، ويُطبَّق خيار جراحي افتراضيًا، ويُحسب التدفق أو الإجهاد لمقارنة النتائج قبل العملية.
السؤال الذي تجيب عنه: أي خيار جراحي يعطي هذا المريض أفضل نتيجة؟
يُغفل: خصائص النسيج مفترضة من المتوسطات، والتئام ما بعد الجراحة لا يُنمذَج.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي حلّ تدفق أو إجهاد واحد لكل خطة مرشحة، ساعات على عنقود.منذ: 1999 تايلور وزملاؤه، الطب التنبؤي باستخدام التقنيات الحاسوبية لاتخاذ القرارات العلاجية. المصدر
التفاعل بين السائل والبنية في صمام القلب
وريقة صمام مرنة والدم الذي يحيط بها يُحسبان معًا، إذ يدفعها التدفق الذي تتحكم فيه لتنفتح ثم تُغلَق بقوة.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف ينفتح الصمام وينغلق، وكيف يغيّر الصمام البديل التدفق؟
يُغفل: خصائص مادة وريقات الصمام والحركة العضلية المحيطة مبسّطة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي حلول موائع ذات حدود متحركة على عنقود.منذ: 1972 Peskin, flow patterns around heart valves, introducing the immersed boundary method. المصدر
تكيّف العظام وإعادة تشكيلها حول الغرسات
نماذج عظم بالعناصر المنتهية يُضاف فيها نسيج حيث يكون الإجهاد عاليًا ويُزال حيث يكون منخفضًا، على مدى أشهر وسنوات.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف سيتغير العظم حول الغرسة مع الوقت؟
يُغفل: قاعدة إعادة التشكّل قانون ظاهراتي ويختلف بين المرضى.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي حلول عناصر محدودة تكرارية على محطة عمل.منذ: 1987 Huiskes and colleagues, adaptive bone-remodelling theory applied to prosthetic design. المصدر
نماذج عضلية هيكلية للجراحة
تُنمذج عظام الساق أو الذراع ومفاصلها ومحرّكاتها العضلية الوترية بحيث يمكن اختبار أثر تغيير جراحي، مثل نقل وتر، في الحركة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيحسّن نقل هذا الوتر مشية المريض؟
يُغفل: تنشيط العضلات مقدَّر لا مقيس، ولا يُنمذَج التحكم العصبي.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي الديناميكا العكسية وتحسين العضلات على حاسوب محمول.منذ: 1990 ديلب وزملاؤه، نموذج رسومي تفاعلي للطرف السفلي لدراسة جراحة العظام. المصدر
حساب جرعة العلاج الإشعاعي
تُتتبَّع الفوتونات أو البروتونات عبر مسح مريض بنقل مونت كارلو لحساب جرعة الإشعاع الواصلة إلى ورم وإلى النسيج السليم.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يوصل الشعاع المخطط الجرعة إلى الورم مع الإبقاء على الأعضاء المجاورة؟
يُغفل: الفحص لقطة، لذا فحركة المريض وتغير التشريح أثناء العلاج تقريبيان.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي ملايين إلى مليارات المسارات لكل خطة على عنقود أو معالج رسومي.منذ: 1988 Mackie and colleagues, photon energy deposition kernels generated with the EGS Monte Carlo code. المصدر
أشباح تشريحية افتراضية للتصوير
أجساد بشرية رقمية بأعضاء مفصّلة وحركة نبض أو تنفس، تُستخدم موضوعًا لفحوص مُحاكاة بحيث تُختبر طرق التصوير مقابل حقيقة معلومة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع هذا الماسح وهذه الخوارزمية استعادة شذوذ معروف؟
يُغفل: الدمية نموذج شكل مضبوط على بضعة أشخاص، ولا يلتقط المدى الكامل للتشريح.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي محاكاة تتبّع الأشعة أو النقل لكل مسح على محطة عمل.منذ: 2010 Segars and colleagues, the 4D XCAT phantom for multimodality imaging research. المصدر
محاكاة صور الرنين المغناطيسي
تُحاكى فيزياء السبينات النووية في مجال مغناطيسي عبر تسلسل نبضات لتوليد مسوح اصطناعية لجسد افتراضي.
السؤال الذي تجيب عنه: أي صورة ستنتجها هذه المتتالية لهذا النسيج؟
يُغفل: قيم استرخاء النسيج متوسطات، والحركة وعيوب العتاد لا تُنمذَج إلا جزئياً.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محاكاة معادلات بلوخ لحجم كامل على GPU.منذ: 2005 بنوا-كاتان وزملاؤه، محاكي SIMRI التفاعلي للتصوير بالرنين المغناطيسي. المصدر
محاكاة التئام الكسور
يحدد الإجهاد الميكانيكي في فجوة الالتئام في العظم المكسور هل يتكوّن النسيج غضروفًا أو عظمًا جديدًا أو ندبة ليفية.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيسمح تثبيت هذا الكسر للعظم بالالتئام؟
يُغفل: قاعدة تمايز النسيج تجريبية، وإمداد الدم مبسّط.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي حلول بالعناصر المنتهية على مدى أسابيع مُحاكاة على محطة عمل.منذ: 1999 كلايس وهايغيله، الإجهاد والانفعال الموضعيان على الأسطح العظمية يتنبآن بمسار التئام الكسر ونوعه. المصدر
ديناميكا الفيروس داخل المضيف
يُتتبَّع الفيروس الحر والخلايا المصابة والخلايا المستهدفة داخل مريض واحد، ويكشف تغيّرها بعد بدء العلاج مدى سرعة إنتاج الفيروس وتصفيته.
السؤال الذي تجيب عنه: ما سرعة تكاثر الفيروس داخل الشخص، وماذا يغيّر العلاج؟
يُغفل: بنية النسيج ومواضع العدوى غير الدم غير ممثَّلة.
تعمل على: نحو 107 FLOPS تقريبي بضع معادلات تفاضلية متقارنة تُلائَم مع سلسلة زمنية لمريض.منذ: 1996 Perelson and colleagues, HIV-1 dynamics in vivo. المصدر
احتياطي التدفق التاجي من الفحوص التصويرية
يُحسب تدفق الدم عبر الشرايين التاجية من فحص للقلب لتقدير هل يقيّد التضيّق التدفق بما يستلزم دعامة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل هذا التضيّق كافٍ لحرمان عضلة القلب من الدم؟
يُغفل: تُقدَّر الشروط الحدّية عند الأوعية الصغيرة من المريض بدل أن تُقاس.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي حلّ تدفق واحد خاص بمريض لكل مسح على عنقود.منذ: 2013 تايلور وزملاؤه، ديناميكا الموائع الحاسوبية مطبَّقة على التصوير المقطعي للقلب لقياس احتياطي التدفق الجزئي دون جراحة. المصدر
ميكانيكا القوقعة
أمواج صوتية في سائل الأذن الداخلية تقترن بالغشاء المهتز داخل القوقعة، فتولّد الموجة المنتقلة التي تفرز النغمات.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تحوّل الأذن الصوت إلى إشارة مشفَّرة بالموضع؟
يُغفل: التضخيم النشط الذي تقوم به الخلايا الشعرية يُمثَّل بتغذية راجعة تقريبية.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي حلول بالفروق المنتهية لمائع القوقعة على محطة عمل.منذ: 1981 Neely, a finite-difference solution of a two-dimensional model of the cochlea. المصدر
الفسيولوجيا التكاملية للجسد كله
يُربط ضغط الدم والكلية وتوازن السوائل والهرمونات في نموذج واحد للدورة الدموية وتنظيمها.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف ينظّم الجسم ضغط الدم، وماذا يحدث حين يفشل عضو واحد؟
يُغفل: كل عضو حجرة مجمّعة، وتفاصيل الخلايا غائبة.
تعمل على: نحو 106 FLOPS تقريبي مئات المعادلات التفاضلية على حاسوب محمول.منذ: 1972 Guyton, Coleman and Granger, circulation: overall regulation. المصدر
انتقال الحرارة الحيوية والفرط الحراري
التوصيل الحراري في النسيج مع دم يحمل الحرارة بعيدًا، ويُستخدم للتنبؤ بدرجة الحرارة أثناء الحمّى أو الإجهاد الحراري أو العلاج الحراري للسرطان.
السؤال الذي تجيب عنه: إلى أي درجة يسخن النسيج وإلى أي عمق تصل الحرارة؟
يُغفل: تُعامَل التروية الدموية كأنها مصرف حراري موحّد.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي حلول حرارية بالعناصر المنتهية على محطة عمل.منذ: 1948 Pennes, analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. المصدر
نماذج انتقال النفرون في الكلية
ماء وملح ويوريا تتحرك عبر عُرى الكلية وأنابيبها، تُحَل جريانات مقترنة لإظهار كيف يتركز البول.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يتيح ترتيب الأنيبيبات بتيارات متعاكسة للكلية تركيز البول؟
يُغفل: خصائص الأنابيب وترتيبها ثلاثي الأبعاد مقيسة في أنواع قليلة، لذا تُستقرأ المعاملات من الحيوانات.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي من دقائق إلى ساعات على محطة عمل.منذ: 1966 تحليل ستيفنسون للتركيز في أنظمة التيار المعاكس الكلوية. المصدر
نماذج الحبل الصوتي وإنتاج الصوت
الحبلان الصوتيان ككتلتين على نابضين يدفعهما الهواء من الرئتين، مقترنتين بشكل الحلق والفم، لإنتاج الصوت المجهور.
السؤال الذي تجيب عنه: أي إعدادات فيزيائية للطيات تصنع صوتاً واضحاً أو هسهسة أو خشناً؟
يُغفل: الطيّات مختزلة في بضع كتل، فلا تُلتقَط طبقات النسيج ولا تدفق الهواء الكامل ثلاثي الأبعاد.
تعمل على: نحو 108 FLOPS تقريبي من ثوانٍ إلى دقائق لكل جملة من الصوت المنطوق.منذ: 1972 النموذج ذو الكتلتين للحبال الصوتية لإيشيزاكا وفلاناغان لتركيب الأصوات المجهورة. المصدر
نماذج الساعة البيولوجية
مذبذبات مقترنة تمثل الساعة البيولوجية تستجيب للضوء وتوقيت الراحة، وتتنبأ بكيفية تغيّر النوم واليقظة مع تغيّر الجدول أو السفر.
السؤال الذي تجيب عنه: كم تستغرق الساعة البيولوجية للجسم حتى تتكيف بعد رحلة جوية أو تغيير في نوبة العمل؟
يُغفل: تحلّ بضعة مذبذبات محلّ شبكة كاملة من العصبونات، ويختلف الناس اختلافًا واسعًا في طول دورة ساعتهم وحساسيتهم للضوء.
تعمل على: نحو 105 FLOPS تقريبي ثوانٍ على حاسوب محمول.منذ: 1982 النموذج الرياضي لكرونوير وزملائه للنظام اليومي البشري بمذبذبين متفاعلين. المصدر
نماذج الأوبئة ذات الحجرات
مجتمع مقسّم إلى معرَّضين ومصابين ومتعافين، مع معدلات تتدفق بينها.
السؤال الذي تجيب عنه: إلى أي حجم سيبلغ هذا الوباء، ومتى يبلغ ذروته؟
يُغفل: يفترض اختلاطًا متجانسًا، يلتقي فيه كل شخص بكل شخص آخر بالمعدل نفسه، وهو ما لا تحققه أنماط المخالطة الحقيقية.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي حاسوب محمول يحلّ حفنة من معادلات الوباء المتقارنةمنذ: 1927 معادلات كيرماك وماكيندريك للوباء المغلق
الأوبئة القائمة على العملاء
مجتمع اصطناعي لمدينة أو بلد كامل، لكل شخص فيه أسرة ومدرسة أو مكان عمل ومخالطات ينتشر عبرها المرض.
السؤال الذي تجيب عنه: أي إجراءات تبطّئ الانتشار أكثر بأقل كلفة؟
يُغفل: يتطلب بيانات تفصيلية عن الأسر والمدارس وأماكن العمل تفتقر إليها بلدان كثيرة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يحاكي مجتمعًا اصطناعيًا بحجم بلدمنذ: 2005 نماذج جائحة الإنفلونزا القائمة على الوكلاء عند لونغيني وفيرغسون وزملائهم
تطوّر الممرضات
طفرات تظهر وتنتشر في فيروس أو بكتيريا وهو ينتقل بين المضائف.
السؤال الذي تجيب عنه: ما مدى سرعة تطوّر المقاومة لهذا الدواء؟
يُغفل: مشاهد الطفرات واللياقة الحقيقية أعقد بكثير من حفنة مواضع جينية.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحاكي تطوّر مقاومة الأدويةمنذ: 1990 نماذج عشوائية مبكرة لتطور مقاومة الأدوية في فيروس HIV
عبء المرض والنمذجة الاقتصادية الصحية
مرض وعلاجاته يُتتبّعان على هيئة احتمالات المرض والعجز والكلفة والموت، تُستخدم للمقارنة بين التدخلات الصحية لمعرفة أيها يحقق أكبر نفع لكل جنيه إسترليني يُنفَق.
السؤال الذي تجيب عنه: أي علاج أو برنامج يعطي أكبر عدد من سنوات الحياة الصحية مقابل المال؟
يُغفل: إسناد رقم إلى سنة من الحياة أو المعاناة حكمُ قيمة يُعرَض في صورة حساب.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تشغّل نموذج كلفة وفعالية لفوجمنذ: 1993 دراسة البنك الدولي العالمية لعبء المرض بسنوات العمر المصححة بالعجز
علم الأوبئة الجينومي للتفشي
جينومات ممرضات تؤخذ عيّنات منها أثناء تفشٍّ، وتُستخدم لبناء شجرة عائلة للعدوى واستنتاج من أصاب من على الأرجح ومدى سرعة النمو.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف ينتشر هذا الوباء فعلًا، خلف ما يستطيع تتبّع المخالطين وحده أن يكشفه؟
يُغفل: لا تظهر في الشجرة إلا الحالات التي جرى تسلسلها، فقد تضلّل عيّنة قليلة أو متحيزة.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يبني أشجارًا من آلاف الجينوماتمنذ: 2013 تتبّع جينومي في الزمن الحقيقي لتفشي إيبولا في غرب أفريقيا
تقييم مخاطر التعرض البيئي والكيميائي
كيف يتحوّل تعرّض السكان لملوّث أو لمادة ملوِّثة في الغذاء أو لجرعة إشعاع إلى احتمال ضرر، عبر كامل نطاق عدم اليقين في البيانات.
السؤال الذي تجيب عنه: ما كمية هذه المادة الكيميائية الآمنة لتعريض سكان كاملين لها؟
يُغفل: الاستقراء من جرعات اختبار عالية في الحيوانات إلى جرعات منخفضة في البشر قرار تقديري دائم.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تشغّل نموذج مونت كارلو للجرعة والاستجابةمنذ: 1983 إطار المجلس القومي للبحوث الأمريكي لتقييم مخاطر المواد الكيميائية
نماذج الأوبئة على شبكات التنقل
انتشار مرض يُحاكى عبر شبكة عالمية من المدن مرتبطة ببيانات التنقل اليومي والسفر الجوي.
السؤال الذي تجيب عنه: ما سرعة وصول وباء إلى مناطق وبلدان أخرى؟
يُغفل: يُبسَّط الاختلاط داخل كل مدينة، ولا يُنمذَج تغيّر السلوك.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي تشغيلات عشوائية عبر آلاف المجموعات السكانية الفرعيةمنذ: 2009 Multiscale mobility networks and the spatial spreading of infectious diseases (2009) المصدر
نماذج الملاريا القائمة على الأفراد
أناس وبعوض وطفيليات محاكون تتبع العدوى داخل المضيف والانتقال لاختبار استراتيجيات المكافحة.
السؤال الذي تجيب عنه: أي مزيج من الشباك والأدوية واللقاحات يخفض انتقال الملاريا؟
يُغفل: تُنمذَج بيئة البعوض والنظم الصحية المحلية بخشونة.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي تشغيلات عشوائية كثيرة لقرية محاكاةمنذ: 2008 Towards a comprehensive simulation model of malaria epidemiology and control (2008) المصدر
مراكز نمذجة السيناريوهات
تشغّل عدة فرق نمذجة افتراضات «ماذا لو» نفسها عن اللقاحات أو المتحورات، وتُجمع الإسقاطات في مجموعة واحدة.
السؤال الذي تجيب عنه: أي نطاق من المستقبلات ينتج عن كل افتراض لسياسة أو متحوّر؟
يُغفل: السيناريوهات مشروطة، وليست تنبؤات بما سيحدث.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي مجموعة متعددة الفرق من نماذج الأوبئةمنذ: 2020 مركز نمذجة سيناريوهات كوفيد-19 في الولايات المتحدة، منذ ديسمبر 2020 المصدر
نماذج تتبّع المخالطين الرقمية
نماذج انتقال مع خطوة تتبع عبر تطبيق، تقدّر مدى السرعة اللازمة للتتبع والعزل لوقف الانتشار.
السؤال الذي تجيب عنه: ما سرعة تتبّع المخالطين اللازمة للسيطرة على وباء؟
يُغفل: الإقبال والامتثال قيمتان مفترضتان.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي تشغيلات عمليات تفرّع أو عملاءمنذ: 2020 Quantifying SARS-CoV-2 transmission suggests epidemic control with digital contact tracing (2020) المصدر
انتشار مقاومة مضادات الميكروبات
بكتيريا حساسة وأخرى مقاومة تتنافس داخل المرضى وتنتشر بينهم في ظل سياسات مضادات حيوية مختلفة كالتناوب والخلط والعلاج المركّب.
السؤال الذي تجيب عنه: أي سياسة علاج تبطّئ ازدياد العدوى المقاومة؟
يُغفل: كلف المقاومة ومعدلات الانتقال مقيسة بصورة سيئة، وتعتمد النتائج عليها.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي نماذج مستشفيات قائمة على الأقسام والأفراد على حاسوب محمول.منذ: 1997 بونهوفر وليبسيتش ولفين، تقييم بروتوكولات العلاج لمنع مقاومة المضادات الحيوية. المصدر
نماذج انتقال الملاريا والتدخل
تُحاكى لدغات البعوض وتطور الطفيلي والمناعة البشرية والتدخلات كالناموسيات أو اللقاحات معًا في قرية أو بلد.
السؤال الذي تجيب عنه: أي مزيج من أدوات التحكم يمكنه تقليل الملاريا أو القضاء عليها؟
يُغفل: لم تُقَس بيئة البعوض والسلوك البشري المحلي قياسًا جيدًا.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي محاكاة قائمة على الأفراد لبلد على مدى عقود على عنقود.منذ: 2008 سميث وزملاؤه، نحو نموذج محاكاة شامل لوبائيات الملاريا ومكافحتها. المصدر
محاكاة الانتقال المحمول جوًا داخل المباني
يطلق التنفس والسعال والكلام قطيرات وهباءات في غرفة، وتتتبّع ديناميكا الموائع أين تذهب وكم يستنشق منها شخص ثانٍ.
السؤال الذي تجيب عنه: ما المسافة التي يقطعها الفيروس المنبعث مع الزفير، وإلى أي حد تقلّل الكمّامات أو التهوية التعرّض له؟
يُغفل: تتفاوت جرعة العدوى وظروف الغرفة الحقيقية أكثر مما تفترضه أي منظومة محاكاة.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي محاكاة الدوّامات الكبيرة لغرفة مع تتبّع الجسيمات على عنقود.منذ: 2020 Mittal, Ni and Seo, the flow physics of COVID-19, reviewing computational studies of respiratory flows. المصدر
محاكاة سياسة مكافحة التبغ
تُسقَط بدايات التدخين والإقلاع عنه والوفيات في بلد ما في ظل الضرائب والحظر والحملات، فينتج التغير في الانتشار وعدد الأرواح المنقَذة.
السؤال الذي تجيب عنه: كم حياة سينقذ فرض ضريبة أو حظر التدخين؟
يُغفل: تُؤخذ آثار السياسات من أدلة سابقة وقد لا تنتقل إلى سياقات جديدة.
تعمل على: نحو 106 FLOPS تقريبي نموذج إسقاط سكاني على حاسوب محمول.منذ: 2000 Levy, Cummings and Hyland, a simulation of the effects of youth initiation policies on overall cigarette use. المصدر
تحسين توزيع اللقاحات
يُدمج نموذج وباء بمُحسِّن يختار أي الفئات العمرية أو فئات الخطر تتلقى اللقاح الشحيح أولًا.
السؤال الذي تجيب عنه: من ينبغي تطعيمه أولاً لإنقاذ أكبر عدد من الأرواح؟
يُغفل: أنماط المخالطة وفاعلية اللقاح غير مؤكدة، وتعتمد أفضل فئة على الهدف.
تعمل على: نحو 108 FLOPS تقريبي تحسين عبر تشغيلات وباء كثيرة على محطة عمل.منذ: 2009 Medlock and Galvani, optimising influenza vaccine distribution. المصدر
تجارب التصوير الافتراضية
مرضى وماسحات وقارئون محاكون تُستخدم لمقارنة تقنيات التصوير دون تسجيل أناس حقيقيين.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يكتشف جهاز تصوير جديد السرطانات بالكفاءة نفسها كالجهاز الحالي؟
يُغفل: الآفات والقرّاء الافتراضيون نماذج قد تفوّت التنوع السريري الحقيقي.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي آلاف الصور المحاكاة على عنقود حاسوبي.منذ: 2018 بادانو وزملاؤه، تجربة تصوير في السيليكون للتصوير الطبقي الرقمي للثدي مقابل التصوير الشعاعي الكامل المجال. المصدر
الأوبئة على شبكات المخالطة
ينتشر المرض بين عُقد شبكة قد يكون توزيع درجاتها متفاوتًا جدًا، وتعتمد النتيجة على المحاور.
السؤال الذي تجيب عنه: عند أي مستوى من قابلية الانتقال ينطلق وباء على شبكة ذات محاور؟
يُغفل: شبكات الاتصال الحقيقية تتغير مع الوقت ولا تُرصد إلا جزئيًا.
تعمل على: نحو 107 FLOPS تقريبي انتشار مونت كارلو على شبكات بملايين العُقد على محطة عمل.منذ: 2001 Pastor-Satorras and Vespignani, epidemic spreading in scale-free networks. المصدر
ديناميكا أعداد البعوض
بيض ويرقات وخادرات وبالغات بعوضة ناقلة للمرض تنمو في حاويات تحت الحرارة والمطر المحليين، فتعطي عدد اللدغات.
السؤال الذي تجيب عنه: كم بعوضة ستكون في الموسم القادم، وما أثر إزالة مواقع التكاثر؟
يُغفل: يصعب إحصاء مواقع التكاثر وتتفاوت من شارع إلى آخر.
تعمل على: نحو 107 FLOPS تقريبي محاكاة جداول الحياة على حاسوب محمول.منذ: 1993 فوكس وزملاؤه، نموذج جدول حياة ديناميكي لبعوضة Aedes aegypti. المصدر
المحاكاة الدقيقة على مستوى الأفراد لفحص السرطان
تُحاكى مسارات حياة فردية مع المسار الطبيعي للسرطان، بالفحص ودونه، لتقدير الحالات المكتشفة والوفيات التي مُنعت.
السؤال الذي تجيب عنه: كم وفاة يمنع برنامج الفحص، وبأي ثمن من فرط التشخيص؟
يُغفل: المسار المبكر غير المرصود للسرطان يجب أن يُفترَض.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي ملايين الحيوات المحاكاة على محطة عمل.منذ: 1985 Habbema and colleagues, the MISCAN simulation program for the evaluation of screening. المصدر
نماذج السمنة والنظام الغذائي القائمة على الوكلاء
عملاء بوزن ودخل وجيران يأكلون ويتحركون، ويتحول توزيع وزن الجسم في المجتمع مع تغيّر أسعار الغذاء أو السياسات.
السؤال الذي تجيب عنه: أي تدخلات تغيّر وزن السكان على مدى عقود؟
يُغفل: يُختزل السلوك إلى بضع قواعد، والأدلة طويلة الأمد شحيحة.
تعمل على: نحو 108 FLOPS تقريبي محاكاة سكانية قائمة على الوكلاء على محطة عمل.منذ: 2007 Hammond and Epstein, exploring price-independent mechanisms in the obesity epidemic. المصدر
محاكاة سياسة تخصيص الأعضاء
تُحاكى قائمة انتظار زراعة الأعضاء ووصول أعضاء المتبرعين وقواعد التخصيص لمقارنة زمن الانتظار والبقاء.
السؤال الذي تجيب عنه: أي قاعدة تخصيص تعطي أكبر عدد من سنوات العمر وأعدل انتظار؟
يُغفل: جودة الأعضاء وقرارات المرضى والمراكز مبسّطة.
تعمل على: نحو 108 FLOPS تقريبي محاكاة أحداث لسنوات من قوائم الانتظار على حاسوب محمول.منذ: 2000 زينيوس وتشيرتو ووين، التخصيص الديناميكي للكلى للمرشحين على قائمة انتظار الزرع. المصدر
نماذج نشر سيارات الإسعاف ومحطات الإطفاء
تصل مكالمات الطوارئ عشوائيًا، وتُرسَل الوحدات، ويعطي نموذج الطوابير أزمنة الاستجابة لكل موقع ولكل تخطيط للمنطقة.
السؤال الذي تجيب عنه: أين ينبغي وضع المحطات والوحدات لتقليل زمن الاستجابة؟
يُغفل: أزمنة السفر والتشتت الحقيقي للطلب مفترضة.
تعمل على: نحو 107 FLOPS تقريبي طوابير ومونت كارلو على حاسوب محمول.منذ: 1974 Larson, a hypercube queueing model for facility location and redistricting in urban emergency services. المصدر
توليد سجلات مرضى اصطناعية
يُعطى أشخاص اصطناعيون أمراضًا وعلاجات ولقاءات من قواعد سريرية منشورة، لإنتاج سجلات صحية واقعية لا تحوي أي شخص حقيقي.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن اختبار البرمجيات والتحليلات على سجلات واقعية دون الكشف عن بيانات أحد؟
يُغفل: السجلات لا تحمل إلا الأنماط المُدخَلة في المولِّد، لذا تُمثَّل الأمراض النادرة ومسارات الرعاية الحقيقية تمثيلاً شحيحاً.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي تشغيل على حاسوب محمول لمليون مريض.منذ: 2010 النهج المعتمد على البيانات لإنشاء سجلات طبية إلكترونية اصطناعية عند بوتشاك وزملائه. المصدر
علم السموم التنبؤي
تُقارَن بنية دواء مرشَّح بقواعد بيانات الجزيئات السامة المعروفة، أو تُمرَّر عبر نماذج مدرَّبة على بيانات المختبر والحيوان، قبل تصنيعه أصلًا.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يُرجَّح أن يضرّ هذا الجزيء الكبد أو القلب أو الجينات قبل أن نصنعه؟
يُغفل: التنبؤات موثوقة بقدر الجزيئات السامة السابقة التي دُرّب عليها النموذج فقط، وتستمر الاستثناءات البيولوجية في الظهور.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل نموذجًا مدرَّبًا للتنبؤ بالسمّيةمنذ: 2000 نماذج علاقة البنية بالنشاط المبكرة المستخدمة لغربلة الأدوية بحثًا عن السمية
نمذجة الديناميكا الدوائية
كيف يتحول تركيز دواء عند هدفه إلى أثر في الجسم، من ارتباط المستقبِل حتى عَرَض أو مؤشر حيوي مقيس.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من الأثر ستُحدثه جرعة معيّنة فعلًا، ولكم من الوقت؟
يُغفل: يفترض علاقة نظيفة بين التركيز والأثر، قد يفسدها التحمّل وتقدّم المرض.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحلّ حفنة من معادلات التأثير المتقارنةمنذ: 1968 نماذج مبكرة لإشغال المستقبلات تربط تركيز الدواء بأثره
محاكاة تصميم التجارب السريرية
آلاف التجارب الافتراضية تُجرى مقابل تباين مفترض بين المرضى وآثار الدواء، لاختيار حجم التجربة ومدتها وقواعد إيقافها المبكر.
السؤال الذي تجيب عنه: كم مريضًا تحتاج هذه التجربة فعلًا، ومتى يمكن إيقافها بأمان؟
يُغفل: التجربة المحاكاة واقعية بقدر الافتراضات عن استجابة المرضى المزوَّدة لها.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي عنقود صغير يشغّل آلاف النسخ التجريبية المُحاكاةمنذ: 1994 دراسات محاكاة مبكرة استُخدمت لتخطيط تصاميم التجارب السريرية التكيفية
نماذج شبكات إعادة توظيف الأدوية
أدوية وجينات وبروتينات وأمراض مرتبطة في شبكة كبيرة واحدة، يُبحث فيها عن أدوية موجودة توحي صلاتها المعروفة باستخدام جديد غير متوقع.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن لدواء معتمد لمرض أن يعالج مرضًا آخر أيضًا؟
يُغفل: الصلة في الشبكة تلميح لا برهان؛ ومعظم استخدامات إعادة التوظيف المقترحة تفشل عند اختبارها.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تبحث في شبكة واسعة من الدواء والجين والمرضمنذ: 2011 غرابيل مبكرة قائمة على الشبكات لمرشحي إعادة توظيف الأدوية
نمذجة صياغة الأدوية وإيصالها
قرص دواء يذوب، أو لصقة تُطلق الدواء، أو جسيم نانوي يحمله عبر الجسم، يُتتبَّع كانتشار وتفاعل على مدى دقائق إلى أيام.
السؤال الذي تجيب عنه: بأي سرعة وفي أي موضع يصل هذا الدواء فعلًا إلى هدفه بعد ابتلاعه أو حقنه؟
يُغفل: أجهزة الذوبان المخبرية والهضم الحقيقي لا تتفقان دائمًا.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية تحلّ معادلات الانتشار والإطلاقمنذ: 1961 النموذج الرياضي لهيغوتشي لإطلاق الدواء من مصفوفة صلبة
تصميم مستضدات اللقاحات
سطح بروتين ممرض يُحاكى بتفصيل ذري لإيجاد أو هندسة الأشكال التي سيتعرف عليها الجهاز المناعي ويتذكرها أفضل تذكّر.
السؤال الذي تجيب عنه: أي جزء من هذا الممرض يصلح هدفاً أفضل للقاح؟
يُغفل: شكل يبدو هدفًا جيدًا على الشاشة لا يزال عليه أن يعمل في جهاز مناعة حقيقي.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي يشغّل محاكاة ذرية لمستضدات مرشَّحةمنذ: 2013 تصميم قائم على البنية لمستضد فيروس تنفسي مثبَّت
التحكم بحلقة مغلقة في مرض السكري بالمحاكاة الحاسوبية
مجتمع من أشخاص افتراضيين مصابين بالسكري من النوع الأول، بوجبات وديناميكا الغلوكوز والإنسولين، يُستخدم لاختبار خوارزميات التحكم في الإعطاء قبل التجارب على البشر.
السؤال الذي تجيب عنه: هل ستُبقي خوارزمية التحكم هذه الغلوكوز آمناً عبر أشخاص كثيرين مختلفين؟
يُغفل: السلوك الحقيقي مثل الإجهاد والمرض وأعطال المستشعرات لا يُلتقط إلا جزئيًا.
تعمل على: نحو 109 FLOPS تقريبي محاكاة أيام افتراضية طويلة لمئات الأشخاص على حاسوب محمول.منذ: 2009 Kovatchev and colleagues, in silico preclinical trials of closed-loop control of type 1 diabetes. المصدر