زندگی و پزشکی

تاخوردن و دینامیک پروتئین

پروتئینی با ده‌ها هزار اتم که در آب می‌لرزد، تا می‌خورد و شکل عوض می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این زنجیرهٔ آمینواسیدها چگونه به ساختار سه‌بعدی کارآمد تا می‌خورد؟

کنار می‌گذارد: حتی اجراهای بلند حداکثر میکروثانیه‌ها را می‌پوشانند، بسیار کمتر از بسیاری از زمان‌های تاخوردگی واقعی.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی خوشه‌ای از GPUها که میکروثانیه‌هایی از دینامیک تمام‌اتمی را اجرا می‌کنداز: 1977 نخستین شبیه‌سازی دینامیک پروتئین از مک‌کمون، ژلن و کارپلاسدر درخت شبیه‌سازی‌ها: پویایی پروتئین

داکینگ مولکولی و اتصال دارو

مولکول‌های دارویی نامزد که در حفرهٔ یک پروتئین هدف آزموده می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: از میان یک میلیون مولکول، کدام به این هدف می‌چسبند؟

کنار می‌گذارد: امتیازهای داک تقریبی‌اند؛ بیشتر پیوندشوندگان پیش‌بینی‌شده هرگز در آزمایشگاه کار نمی‌کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که میلیون‌ها مولکول نامزد را داک می‌کنداز: 1982 DOCK، نخستین برنامهٔ خودکار داکینگ مولکولی از کانتز و همکارانش

غشاها و کانال‌های یونی

پوستهٔ چرب یک سلول و دریچه‌های پروتئینی که یون‌ها را از آن می‌گذرانند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک سلول عصبی چگونه کانال‌هایش را باز و بسته می‌کند؟

کنار می‌گذارد: کانال‌های واقعی در مقیاس میلی‌ثانیه باز و بسته می‌شوند، زمانی بسیار طولانی‌تر از آنچه بیشتر شبیه‌سازی‌ها به آن می‌رسند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی خوشه‌ای از GPUها که یک دولایهٔ لیپیدی و کانال‌هایش را شبیه‌سازی می‌کنداز: 1982 دینامیک دولایهٔ لیپیدی از van der Ploeg و Berendsen

ذره‌های کامل ویروس

هر اتم پوستهٔ یک ویروس، گاهی صد میلیون تا، هم‌زمان شبیه‌سازی می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: ویروس چگونه یکپارچه می‌ماند و درون یک سلول چگونه از هم می‌پاشد؟

کنار می‌گذارد: اجراها نانوثانیه تا میکروثانیه را می‌پوشانند، بسیار کوتاه‌تر از یک چرخهٔ عفونت واقعی.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی یک ابررایانهٔ ملی که پوسته‌ای صدمیلیون‌اتمی را شبیه‌سازی می‌کنداز: 2006 شبیه‌سازی ویروس موزاییک تنباکوی ماهواره‌ای از فردولینو و شولتن

تاخوردن و ساختار RNA

رشتهٔ آران‌ای (RNA) به‌صورت زنجیره‌ای از بازها که با خودش جفت می‌شود و به شکلی سه‌بعدی و ویژه تا می‌خورد، نه مارپیچ دوگانهٔ راست دی‌ان‌ای.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک رشتهٔ RNA چگونه در شکلی قرار می‌گیرد که بتواند کاتالیزور یا کلید تنظیمی باشد؟

کنار می‌گذارد: ساختارهای پیش‌بینی‌شده اغلب به تصحیح تجربی نیاز دارند و کارکرد خودبه‌خود از شکل نمی‌آید.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که نرم‌افزار تاخوردگی انرژی آزاد را اجرا می‌کنداز: 1981 الگوریتم تاخوردگی RNA با کمینهٔ انرژی آزاد از Zuker و Stiegler

کاتالیز آنزیمی

جایگاه فعال یک آنزیم، بسترش و پروتئین اطراف، که هرجا پیوندها می‌شکنند با مکانیک کوانتومی و در بقیه جاها با مکانیک کلاسیک مدل می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این آنزیم چگونه یک واکنش را میلیارد برابر تندتر می‌کند؟

کنار می‌گذارد: فقط بخش کوچکی از پروتئین درمان کوانتومی گران می‌بیند، و اینکه آن مرز را کجا بکشیم انتخابی مدل‌سازانه است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که محاسبات ترکیبی کوانتومی و کلاسیک را اجرا می‌کنداز: 1976 مدل ترکیبی کوانتومی و کلاسیک Warshel و Levitt از یک واکنش آنزیمی

مدل‌های درشت‌دانهٔ دی‌ان‌ای و آران‌ای

هر نوکلئوتید جسمی صلب با چند جایگاه برهم‌کنش است، که شبیه‌سازی تاخوردگی، هیبریداسیون و نانوساختارها را ممکن می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: رشته‌ها چگونه جفت می‌شوند، تا می‌خورند و به ساختارهای طراحی‌شده می‌رسند؟

کنار می‌گذارد: جزئیات اتمی و یون‌ها با برهم‌کنش‌های مؤثر جایگزین می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی میلیون‌ها نوکلئوتید روی GPUاز: 2011 oxDNA, a coarse-grained DNA model (2011) منبع

پیش‌بینی ساختار پروتئین آموخته‌شده

شبکهٔ عصبی‌ای که روی ساختارهای شناخته‌شده و داده‌های تکاملی آموزش دیده شکل تاخوردهٔ پروتئین را از روی توالی‌اش پیش‌بینی می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این زنجیرهٔ آمینواسید به چه شکل سه‌بعدی‌ای تا می‌خورد؟

کنار می‌گذارد: ساختاری ایستا می‌دهد، نه مسیر تاخوردن یا دینامیک.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁸ FLOPS تقریبی آموزش در مقیاس بزرگ؛ دقیقه‌ها برای هر پیش‌بینیاز: 2018 Improved protein structure prediction using potentials from deep learning (2020, CASP13 entry 2018) منبع

مجموعه‌های مولد پروتئین

مدلی مولد که روی ساختارها و شبیه‌سازی‌ها آموزش دیده، به‌جای یک شکل واحد، ساختارهای فضایی (کنفورماسیون‌های) بسیاری از یک پروتئین تولید می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک پروتئین چه شکل‌های جایگزینی می‌تواند بگیرد؟

کنار می‌گذارد: جمعیت حالت‌ها فقط به اندازهٔ شبیه‌سازی‌های آموزشی خوب است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی آموزش به‌علاوهٔ نمونه‌برداری ارزاناز: 2024 AlphaFold meets flow matching for generating protein ensembles (2024) منبع

دینامیک مولکولی محاسبه‌شده با داوطلبان

هزاران مسیر کوتاه مستقل از یک مولکول روی رایانه‌های خانگیِ اهداشده اجرا و ترکیب می‌شوند تا رویدادهای تاخوردگی دیده شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا اجراهای کوتاه بسیار با هم می‌توانند فرایندی مولکولی و کند را آشکار کنند؟

کنار می‌گذارد: مسیرها کوتاه و مستقل‌اند، پس آمار باید به هم دوخته شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی مجموعهٔ ماشین‌های داوطلباز: 2000 Screen savers of the world unite! (2000), the distributed folding project منبع

زیست‌شیمی تصادفی

واکنش‌های درون یک سلول که به‌صورت تصادفی یکی‌یکی رخ می‌دهند، چون مولکول‌ها برای میانگین‌گیری بسیار کم‌اند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا سلول‌های از نظر ژنتیکی یکسان رفتار متفاوتی دارند؟

کنار می‌گذارد: معمولاً فرض می‌کند درون سلول خوب مخلوط است، که اغلب درست نیست.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که شبیه‌سازی واکنش تصادفی را اجرا می‌کنداز: 1977 الگوریتم شبیه‌سازی تصادفی دقیق گیلسپی برای سینتیک شیمیایی

شبکه‌های تنظیمی ژن

ژن‌هایی که یکدیگر را روشن و خاموش می‌کنند، به‌صورت شبکه‌ای از برهم‌کنش‌ها.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک سلول چگونه تصمیم می‌گیرد چه نوع سلولی شود؟

کنار می‌گذارد: بیشتر شبکه‌های تنظیمی واقعی فقط تا حدی شناخته‌اند، پس پیوندها اغلب استنباط می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که پویایی یک شبکهٔ ژنی را شبیه‌سازی می‌کنداز: 1969 شبکه‌های بولی تصادفی کافمن برای تنظیم ژن

شبکه‌های سوخت‌وساز

هر واکنش شیمیایی که سلول برای تبدیل غذا به انرژی و قطعه به کار می‌برد، به‌صورت شبکه‌ای از شارها متعادل می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: برای اینکه این میکروب بیشتر از یک ترکیب مفید تولید کند، کدام ژن را باید خاموش کنیم؟

کنار می‌گذارد: حالت پایا و هدفی بهینه را فرض می‌کند که یک سلول واقعی شاید دنبالش نباشد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که مدل توازن شار در مقیاس ژنوم را حل می‌کنداز: 1986 نخستین تحلیل توازن شار شبکهٔ متابولیک یک سلول

مدل‌های کل‌سلولی

هر ژن و هر دستهٔ مولکول در یک باکتری منفرد، در یک چرخهٔ تقسیم کامل دنبال می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توانیم سلول زنده را از فهرست قطعاتش پیش‌بینی کنیم؟

کنار می‌گذارد: فقط یک باکتری ساده تاکنون تا این حد کامل مدل شده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که یک چرخهٔ تقسیم باکتری را اجرا می‌کنداز: 2012 مدل کل‌سلولی کار و همکارانش از Mycoplasma genitalium

الگوزایی

مواد شیمیایی که در بافتی در حال رشد پخش و واکنش می‌دهند، سازوکاری که آلن تورینگ برای راه‌راه و خال‌خال پیشنهاد کرد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: سازوکارهای واکنش-پخش چگونه الگوی پوست حیوانات و شکل‌گیری انگشتان در یک اندام را توضیح می‌دهند؟

کنار می‌گذارد: بافت‌های واقعی از نیروهای مکانیکی و سیگنال‌های بیشتری از یک مدل دومادّه‌ای استفاده می‌کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که معادلات واکنش-پخش را روی یک شبکه حل می‌کنداز: 1952 محاسبات واکنش-پخش تورینگ برای The Chemical Basis of Morphogenesisدر درخت شبیه‌سازی‌ها: واکنش-پخش تورینگ

مدل تعاملی را اجرا کنید

رشد بافت و تومور

سلول‌های منفرد که تقسیم می‌شوند، حرکت می‌کنند، برای اکسیژن رقابت می‌کنند و می‌میرند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک تومور چگونه رشد می‌کند و یک برنامهٔ درمانی چگونه می‌تواند آن را متوقف کند؟

کنار می‌گذارد: نرخ تقسیم و مرگ درون تومور واقعی را به‌سختی می‌توان مستقیم اندازه گرفت.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که هزاران سلول منفرد در حال تقسیم را پیگیری می‌کنداز: 1993 نخستین مدل‌های خودکار سلولی رشد تومور جامد

مدل‌های پاسخ به اختلال سلولی

مدلی که روی داده‌های تک‌سلولی آموزش دیده پیش‌بینی می‌کند بیان ژن یک سلول پس از دارو یا ویرایش ژنی که با آن اندازه‌گیری نشده چگونه تغییر می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک سلول پس از مداخله‌ای که هنوز کسی آزمایش نکرده چه خواهد کرد؟

کنار می‌گذارد: همبستگی‌ای است؛ برای انواع سلول یا داروهای دور از داده‌های آموزش بد برون‌یابی می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی مجموعه‌های آموزشی بزرگ تک‌سلولیاز: 2019 scGen predicts single-cell perturbation responses (2019) منبع

مدل‌های عامل‌بنیاد تکامل تومور

سلول‌های سرطانی منفرد روی یک شبکه تقسیم می‌شوند، جهش می‌کنند و در ریزمحیطی متغیر از اکسیژن و اسید رقابت می‌کنند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: شکل تومور و ویژگی‌های تهاجمی آن چگونه از فشار انتخاب پدید می‌آیند؟

کنار می‌گذارد: قواعد ساده شده‌اند و خون‌رسانی و سلول‌های ایمنی اغلب غایب‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی میلیون‌ها سلول روی یک گرهاز: 2006 Tumor morphology and phenotypic evolution driven by selective pressure from the microenvironment (2006) منبع

مدل‌های سوخت‌وساز اجتماع میکروبی

شبکه‌های متابولیک در مقیاس ژنوم چند گونه به هم می‌پیوندند تا پسماند یکی غذای دیگری شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: میکروب‌های روده یا خاک چگونه مواد مغذی را با هم تقسیم می‌کنند و با هم پایدار می‌شوند؟

کنار می‌گذارد: حالت پایا و رشد بهینه را فرض می‌کند و از مقررات و فضا چشم می‌پوشد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی برنامه‌ریزی خطی در میان گونه‌های بسیاراز: 2007 Metabolic modeling of a mutualistic microbial community (2007) منبع

رشد تومور و پاسخ به درمان

تومور جامد به‌صورت تودهٔ تغذیه‌شده با اکسیژن و مواد مغذی پخش‌شونده، با حاشیهٔ در حال تکثیر و هستهٔ نکروزی گرسنه، و سپس در معرض پرتو یا دارو.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک تومور با چه سرعتی رشد می‌کند و یک دز معین چقدر آن را کوچک می‌کند؟

کنار می‌گذارد: تومورهای واقعی از بیماری به بیمار دیگر و درون خودشان فرق می‌کنند. مدل پارامترهای میانگین‌گیری‌شده و هندسه‌ای ساده‌شده به کار می‌برد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی مدل واکنش-پخش سه‌بعدی با برنامه‌های درمان در طول هفته‌ها زمان شبیه‌سازی‌شده.از: 1972 گرینسپن، مدل‌هایی برای رشد تومور جامد با انتشار. منبع

تکامل ریزمحیط تومور

سلول‌های سرطانی منفرد روی یک شبکه برای اکسیژن و فضا رقابت می‌کنند و شیب‌های اسیدیته فنوتیپ‌های تازه را برمی‌گزینند، پس تومور هنگام رشد تکامل می‌یابد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا بافت پیرامون تومور را به سوی سلول‌های مهاجم‌تر می‌راند؟

کنار می‌گذارد: قواعد سلول ساده شده‌اند و پارامترها را در تومورهای زنده به‌سختی می‌توان اندازه گرفت.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی اجراهای ترکیبی عامل-پیوسته در ماه‌های شبیه‌سازی‌شده روی یک ایستگاه کاری یا خوشهٔ کوچک.از: 2006 مدل ترکیبی گسسته-پیوستهٔ اندرسن و همکارانش از تکامل فنوتیپی رانده‌شده با ریزمحیط. منبع

رشد رگ خونی ناشی از تومور

سلول‌های درون‌پوششی روی شیب شیمیایی‌ای که تومور آزاد می‌کند جوانه می‌زنند و مهاجرت می‌کنند و شبکه‌ای شاخه‌شاخه از رگ می‌سازند که آن را تغذیه می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک تومور چگونه خون‌رسانی جذب می‌کند و اگر سیگنال مسدود شود چه می‌شود؟

کنار می‌گذارد: جریان رگ، بازسازی و شیمی واقعی پیام‌رسانی به‌شدت ساده شده‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی اجراهای جوانه‌زنی دو یا سه‌بعدی روی یک ایستگاه کاری.از: 1998 مدل‌های پیوسته و گسستهٔ اندرسن و چاپلین از رگ‌زایی ناشی از تومور. منبع

پویایی پاسخ و مقاومت دارویی سرطان

جمعیت‌های سلول سرطانی عادی، حساس و مقاوم زیر درمان دارویی تغییر می‌کنند، پس بیمار ابتدا بهتر می‌شود و سپس ممکن است عود کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک دارو پیش از ظهور مقاومت تا کی بیماری را مهار می‌کند؟

کنار می‌گذارد: فقط محفظه‌های قابل اندازه‌گیری مدل می‌شوند و رفتار سلول‌های بنیادی استنباط می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی معادلات دیفرانسیل معمولی برازش‌شده روی اندازه‌گیری‌های خون بیمار.از: 2005 میچور و همکارانش، دینامیک لوسمی میلوئید مزمن. منبع

پویایی تولید سلول‌های خونی

سلول‌های بنیادی، پیش‌سازها و سلول‌های بالغ خون با بازخوردهای دارای تأخیر به هم مربوط‌اند و شمارش پایدار می‌دهند، یا وقتی کنترل از کار بیفتد، نوسان.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا برخی اختلال‌های خونی چرخه‌ای‌اند، و چه چیزی تولید عادی را برمی‌گرداند؟

کنار می‌گذارد: مغز استخوان واقعی ساختار فضایی و سلول‌های بسیار دارد که یکی شده‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁶ FLOPS تقریبی معادلات دیفرانسیل تأخیری روی یک لپ‌تاپ.از: 1978 مکی، یک فرضیهٔ یکپارچه برای کم‌خونی آپلاستیک و خون‌سازی دوره‌ای. منبع

رشد کلونی باکتری و زیست‌پرده‌ها

هر سلول باکتری به‌صورت فردی با اندازه، رشد و موقعیت خودش شبیه‌سازی می‌شود و از مادهٔ مغذی پخش‌شونده درون کلونی یا زیست‌پرده تغذیه می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کلونی‌ها چگونه شکل می‌گیرند و سلول‌های درون آن چگونه زنده می‌مانند؟

کنار می‌گذارد: رفتار سلول ساده شده و شیمی ماتریس زیست‌پردهٔ واقعی در مدل لحاظ نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی رشد فردمحور میلیون‌ها سلول روی یک خوشه.از: 1998 کرفت، بوث و ویمپنی، BacSim، شبیه‌ساز مدل‌سازی فردمحور رشد کلونی باکتری. منبع

قلب

امواج الکتریکی در ماهیچهٔ قلب و فشردن و جریان خونی که به راه می‌اندازند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این دارو یا این دستگاه تپش نامنظم قلب را بدتر می‌کند؟

کنار می‌گذارد: تفاوت فردی میان قلب‌های واقعی هنوز به‌سختی در یک مدل جا می‌گیرد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که یک ضربان الکترومکانیک کل قلب را اجرا می‌کنداز: 1960 مدل رایانه‌ای نوبل از پتانسیل عمل یک سلول رشتهٔ پورکنژ؛ مدل‌های کل قلب بعدها آمدند منبعدر درخت شبیه‌سازی‌ها: مدل سلول قلبی

جریان خون

خونی که در سرخرگ‌ها، سیاهرگ‌ها و وسایلی مثل استنت و دریچه حرکت می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این سرخرگ احتمالاً کجا ضعیف یا مسدود می‌شود؟

کنار می‌گذارد: دیوارهٔ رگ‌ها اغلب سخت فرض می‌شود، که کشسانی واقعی را از دست می‌دهد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که شبیه‌سازی جریان شریان ویژهٔ یک بیمار را اجرا می‌کنداز: 1989 مدل المان محدود جریان سرخرگ کاروتید از پرکتولد و همکارانش

تنفس و راه‌های هوایی

هوایی که در راه‌های هوایی شاخه‌شاخه حرکت می‌کند و ذراتی که با آن حمل می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: داروهای استنشاقی یا آلاینده‌ها به کجا می‌رسند؟

کنار می‌گذارد: بیشتر مدل‌ها یک درخت راه هوایی آرمانی را به کار می‌برند، نه درخت یک فرد مشخص را.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که جریان هوا را در درخت شاخه‌شاخهٔ راه‌های هوایی شبیه‌سازی می‌کنداز: 1993 نخستین مدل‌های دینامیک سیالات جریان هوا در درخت نایژه‌ای

زیست‌مکانیک ماهیچه‌اسکلتی

استخوان‌ها، مفصل‌ها و ماهیچه‌ها به‌صورت سامانهٔ مکانیکی پیوسته، در راه رفتن، بلند کردن و افتادن.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام ماهیچه‌ها فشار را تحمل می‌کنند، و این کاشتنی باید چه شکلی داشته باشد؟

کنار می‌گذارد: نیروهای درون یک اندام واقعی غیرمستقیم برآورد می‌شوند، نه اینکه اندازه‌گیری شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که مدل ماهیچه‌اسکلتی یک حرکت را حل می‌کنداز: 1990 مدل‌های رایانه‌ای حرکت ماهیچه‌اسکلتی از دلپ و همکارانش

پاسخ ایمنی

سلول‌های ایمنی و عوامل بیماری‌زا که درون بدن به هم می‌رسند، تکثیر می‌شوند و سیگنال می‌دهند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا برخی عفونت‌ها پاک می‌شوند و برخی مزمن می‌شوند؟

کنار می‌گذارد: سیگنال‌دهی ایمنی واقعی بسیار پیچیده‌تر از آن است که هر مدلی کامل دنبال کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که شبیه‌سازی ایمنی عامل‌محور را اجرا می‌کنداز: 1992 مدل خودکار سلولی پاسخ ایمنی از سلادا و سیدن

فارماکوکینتیک

دارویی که جذب می‌شود، در محفظه‌های بدن پخش می‌شود، تجزیه می‌شود و دفع می‌گردد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: برای کسی با این سن و وزن، چه دوزی و هر چند وقت یک بار؟

کنار می‌گذارد: مدل میانگین جمعیتی ممکن است نبیند یک بیمار خاص با دارو چگونه کنار می‌آید.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁰ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که مدل بخشی (کمپارتمانی) دارو را حل می‌کنداز: 1937 مدل دوبخشی Teorell از توزیع دارو

کارآزمایی‌های بالینی در رایانه

جمعیت‌هایی از بیماران مجازی با تغییرپذیری واقع‌نما که پیش از یک کارآزمایی واقعی یا هم‌زمان با آن درمان می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این درمان احتمالاً به چه کسانی کمک می‌کند، و به چه کسانی ممکن است آسیب بزند؟

کنار می‌گذارد: نهادهای ناظر هنوز کارآزمایی‌های واقعی را در کنارش می‌خواهند. بیماران مجازی نمی‌توانند کاملاً جایگزین آن‌ها شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که هزاران بیمار مجازی را اجرا می‌کنداز: 2011 تا 2011، نخستین آزمایش‌های درون‌سیلیکونی که همراه شواهد یک دستگاه ارائه شد

دوقلوهای دیجیتال قلب

مدل‌های قلب که روی تصاویر و سیگنال‌های یک بیمار برازش می‌شوند و برای پیش‌بینی پاسخ آن قلب به یک درمان به کار می‌روند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: قلب این بیمار به یک درمان مشخص چگونه پاسخ می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: کیفیت برازش به داده‌های تصویربرداری بستگی دارد و ویژگی‌های بافت استنباط می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی اجراهای الکترومکانیکی شخصی‌سازی‌شده به‌اضافهٔ برازشاز: 2020 The 'Digital Twin' to enable the vision of precision cardiology (2020) منبع

مدل‌های پیش‌بین عصبی نواحی حسی مغز

شبکهٔ عصبی‌ای که روی پاسخ‌های ثبت‌شده آموزش دیده جای یک ناحیهٔ مغز می‌نشیند و به پژوهشگران اجازه می‌دهد محرک‌هایی را در سیلیکون بیازمایند که نورون‌ها را بیش از همه برمی‌انگیزند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام محرک یک نورون معین را بیش از همه فعال می‌کند؟

کنار می‌گذارد: پیش‌بینی‌ها باید روی بافت واقعی راستی‌آزمایی شوند و فقط جانوران آزموده‌شده را پوشش می‌دهند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی آموزش روی ضبط‌ها، سپس آزمایش‌های مجازی نامحدوداز: 2019 Inception loops discover what excites neurons most using deep predictive models (2019) منبع

مدل‌های میدان تحریک مغز

مدل‌های اجزای محدود سر که نشان می‌دهند جریان الکترودها یا پیچه‌ها چگونه در پوست سر، جمجمه و بافت مغز پخش می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: میدان الکتریکی یک تحریک‌کننده در مغز کجا فرود می‌آید؟

کنار می‌گذارد: رسانایی بافت‌ها نامطمئن است، و پاسخ عصبی شبیه‌سازی نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی حل اجزای محدود روی مش‌های سر منفرداز: 2009 Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation (2009) منبع

مدل‌های مواجههٔ دارویی در جمعیت مجازی

مدل‌های انتقال دارو در کل بدن روی یک جمعیت مصنوعی که از نظر سن، ژن و کارکرد اندام فرق دارد اجرا می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: سطح دارو در کودکان، سالمندان و بیماران دارای بیماری اندام چقدر فرق می‌کند؟

کنار می‌گذارد: به داده‌های اندازه‌گیری‌شدهٔ آنزیم و ناقل بستگی دارد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی هزاران آزمودنی مجازی روی یک ایستگاه کاریاز: 2009 The Simcyp population-based ADME simulator (2009) منبع

مدل‌های اجتماع میکروبیوم روده

ده‌ها گونهٔ باکتری در روده از راه رقابت و تغذیهٔ متقابل برهم‌کنش می‌کنند، و فراوانی‌شان در طول زمان زیر آشفتگی رژیم غذایی یا آنتی‌بیوتیک دنبال می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام گونه‌ها در روده پایدار می‌مانند، و کدام اختلال می‌تواند جامعه را واژگون کند؟

کنار می‌گذارد: شدت برهم‌کنش‌ها از داده‌های پرنویز استنباط می‌شود و ممکن است بیرون از شرایط نمونه‌برداری‌شده برقرار نباشد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁰ FLOPS تقریبی برازش لوتکا-ولترای تعمیم‌یافته و شبیه‌سازی اجتماع متابولیک روی یک ایستگاه کاری.از: 2013 Stein و همکاران، مدل‌سازی بوم‌شناختی از استنباط سری زمانی میکروبیوتای روده. منبع

برنامه‌ریزی جراحی با مدل‌های ویژهٔ بیمار

یک اسکن به مدل کالبدشناختی شخصی تبدیل می‌شود، گزینه‌ای جراحی به‌صورت مجازی اعمال می‌شود و جریان یا تنش محاسبه می‌شود تا پیش از عمل پیامدها مقایسه شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام گزینهٔ جراحی بهترین نتیجه را برای این بیمار می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: ویژگی‌های بافت از میانگین‌ها فرض می‌شوند و بهبود پس از جراحی مدل نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی یک حل جریان یا تنش برای هر طرح نامزد، ساعت‌ها روی یک خوشه.از: 1999 Taylor و همکاران، پزشکی پیش‌بینانه با روش‌های محاسباتی برای تصمیم‌گیری درمانی. منبع

برهم‌کنش سیال و سازه در دریچهٔ قلب

دریچه‌ای انعطاف‌پذیر و خونی که دورش جریان دارد با هم محاسبه می‌شوند، چون برگچه با همان جریانی که کنترل می‌کند باز و محکم بسته می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک دریچه چگونه باز و بسته می‌شود و دریچهٔ جایگزین جریان را چگونه عوض می‌کند؟

کنار می‌گذارد: ویژگی‌های مادهٔ برگچه و حرکت ماهیچهٔ پیرامون ساده شده‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی حل‌های شارهٔ مرز متحرک روی یک خوشه.از: 1972 پسکین، الگوهای جریان پیرامون دریچه‌های قلب، که روش مرز غوطه‌ور را معرفی کرد. منبع

سازگاری استخوان و بازآرایی پیرامون ایمپلنت

مدل‌های اجزای محدود استخوان که در آن‌ها بافت جایی که تنش بالاست افزوده و جایی که پایین است برداشته می‌شود، در ماه‌ها و سال‌ها.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: استخوان پیرامون یک ایمپلنت در طول زمان چگونه تغییر می‌کند؟

کنار می‌گذارد: قاعدهٔ بازسازی یک قانون پدیده‌شناختی است و از بیماری به بیمار دیگر فرق می‌کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی حل‌های المان محدود تکرارشونده روی یک ایستگاه کاری.از: 1987 هویسکس و همکارانش، نظریهٔ بازآرایی تطبیقی استخوان که در طراحی پروتز به کار رفت. منبع

مدل‌های ماهیچه‌اسکلتی برای جراحی

استخوان‌ها، مفصل‌ها و عمل‌کننده‌های ماهیچه-وتر پا یا دست مدل می‌شوند تا تغییری جراحی، مثل انتقال وتر، از نظر اثرش بر حرکت آزموده شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا انتقال این تاندون نحوهٔ راه‌رفتن بیمار را بهتر می‌کند؟

کنار می‌گذارد: فعال‌سازی ماهیچه برآورد می‌شود نه اندازه‌گیری، و کنترل عصبی مدل نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی دینامیک وارون و بهینه‌سازی ماهیچه روی یک لپ‌تاپ.از: 1990 دلپ و همکارانش، مدلی تعاملی و گرافیکی از اندام تحتانی برای مطالعهٔ جراحی ارتوپدی. منبع

محاسبهٔ دز پرتودرمانی

فوتون‌ها یا پروتون‌ها با انتقال مونت‌کارلو در اسکن یک بیمار دنبال می‌شوند تا دز پرتوی رسیده به تومور و بافت سالم محاسبه شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا باریکهٔ برنامه‌ریزی‌شده دوز را به تومور می‌رساند و اندام‌های مجاور را در امان می‌گذارد؟

کنار می‌گذارد: پویش یک عکس لحظه‌ای است، پس حرکت بیمار و تغییر آناتومی در طول درمان تقریبی‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی میلیون‌ها تا میلیاردها تاریخچه برای هر طرح روی یک خوشه یا GPU.از: 1988 مکی و همکارانش، هسته‌های ته‌نشست انرژی فوتون که با کد مونت‌کارلوی EGS ساخته شده‌اند. منبع

فانتوم‌های آناتومیک مجازی برای تصویربرداری

بدن‌های دیجیتال انسان با اندام‌های دقیق و حرکت ضربان یا تنفس، که به‌عنوان آزمودنی برای اسکن‌های شبیه‌سازی‌شده به کار می‌روند تا روش‌های تصویری در برابر حقیقت معلوم آزموده شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این اسکنر و الگوریتم می‌تواند ناهنجاری شناخته‌شده را بازیابد؟

کنار می‌گذارد: فانتوم مدل شکلی است که به چند آزمودنی برازش شده و دامنهٔ کامل آناتومی را نمی‌گیرد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی ردیابی پرتو یا انتقال برای هر اسکن روی یک ایستگاه کاری.از: 2010 سگارز و همکارانش، فانتوم XCAT چهاربعدی برای پژوهش تصویربرداری چندوجهی. منبع

شبیه‌سازی تصویر تشدید مغناطیسی

فیزیک اسپین‌های هسته‌ای در میدان مغناطیسی با یک دنبالهٔ پالس شبیه‌سازی می‌شود تا پویش‌های مصنوعی از یک بدن مجازی تولید شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این دنباله برای این بافت چه تصویری می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: مقدارهای آرامش بافت میانگین‌اند و حرکت و نقص‌های سخت‌افزار فقط تا حدی مدل می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی شبیه‌سازی معادلهٔ بلوخ برای حجمی کامل روی GPU.از: 2005 شبیه‌ساز تعاملی MRI به نام SIMRI از بنوا-کاتن و همکارانش. منبع

شبیه‌سازی بهبود شکستگی

کرنش مکانیکی در شکاف ترمیم یک استخوان شکسته تعیین می‌کند بافت به شکل غضروف، استخوان تازه یا جای زخم رشته‌ای پدید آید.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این تثبیت شکستگی به استخوان اجازهٔ جوش‌خوردن می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: قاعدهٔ تمایز بافت تجربی است و خون‌رسانی ساده شده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁰ FLOPS تقریبی حل اجزای محدود در طول هفته‌های شبیه‌سازی‌شده روی یک ایستگاه کاری.از: 1999 کلس و هایگله، تنش و کرنش موضعی در سطح‌های استخوانی که مسیر و نوع بهبود شکستگی را پیش‌بینی می‌کند. منبع

دینامیک ویروس درون میزبان

ویروس آزاد، سلول‌های آلوده و سلول‌های هدف درون یک بیمار دنبال می‌شوند، و تغییرشان پس از شروع درمان نشان می‌دهد ویروس با چه سرعتی ساخته و پاک می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: ویروس درون یک فرد با چه سرعتی تکثیر می‌شود و درمان چه چیزی را عوض می‌کند؟

کنار می‌گذارد: ساختار بافت و محل‌های عفونت غیر از خون نمایش داده نمی‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁷ FLOPS تقریبی چند معادلهٔ دیفرانسیل جفت‌شده که به یک سری زمانی بیمار برازش می‌شوند.از: 1996 پرلسون و همکارانش، دینامیک HIV-1 در تن زنده. منبع

ذخیرهٔ جریان کرونری از روی اسکن

جریان خون در سرخرگ‌های کرونری از روی اسکن قلب محاسبه می‌شود تا برآورد شود تنگی آن‌قدر جریان را محدود می‌کند که استنت لازم باشد یا نه.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این تنگی برای گرسنه‌گذاشتن ماهیچهٔ قلب از خون کافی است؟

کنار می‌گذارد: شرایط مرزی در رگ‌های کوچک از روی بیمار برآورد می‌شود، نه اینکه اندازه‌گیری شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی یک حل جریان ویژهٔ بیمار برای هر اسکن روی یک خوشه.از: 2013 Taylor و همکاران، به‌کارگیری CFD روی سی‌تی قلب برای کمّی‌سازی غیرتهاجمی ذخیرهٔ جریان کسری. منبع

مکانیک حلزون گوش

موج‌های صوتی در مایع گوش درونی با غشای مرتعش درون حلزون گوش جفت می‌شوند و موج رونده‌ای می‌سازند که زیر و بمی صداها را جدا می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: گوش چگونه صدا را به سیگنالی رمزگذاری‌شده بر پایهٔ مکان تبدیل می‌کند؟

کنار می‌گذارد: تقویت فعال سلول‌های مویی با بازخورد تقریبی نمایش داده می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁰ FLOPS تقریبی حل تفاضل متناهی سیال حلزون گوش روی یک ایستگاه کاری.از: 1981 نیلی، یک حل تفاضل متناهی از مدل دوبعدی حلزون گوش. منبع

فیزیولوژی تلفیقی کل بدن

فشار خون، کلیه، تعادل مایعات و هورمون‌ها در یک مدل از گردش خون و تنظیم آن به هم پیوند می‌خورند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: بدن چگونه فشار خون را تنظیم می‌کند و وقتی یک اندام از کار بیفتد چه می‌شود؟

کنار می‌گذارد: هر اندام محفظه‌ای فشرده است و جزئیات سلولی غایب است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁶ FLOPS تقریبی صدها معادلهٔ دیفرانسیل روی یک لپ‌تاپ.از: 1972 گایتون، کلمن و گرنجر، گردش خون: تنظیم کلی. منبع

انتقال گرمای زیستی و هایپرترمیا

رسانش گرما در بافت همراه با جریان خونی که گرما را می‌برد، برای پیش‌بینی دما هنگام تب، تنش گرمایی یا درمان سرطان با گرما.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: بافت چقدر داغ می‌شود و گرما تا چه عمقی می‌رود؟

کنار می‌گذارد: خون‌رسانی مانند چاهک گرمایی یکنواخت فرض می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی حل گرمایی اجزای محدود روی یک ایستگاه کاری.از: 1948 پنس، تحلیل دمای بافت و خون سرخرگی در ساعد انسان در حالت استراحت. منبع

مدل‌های انتقال نفرون کلیه

آب، نمک و اوره که در حلقه‌ها و لوله‌های کلیه حرکت می‌کنند، به‌صورت جریان‌های جفت‌شده حل می‌شود تا نشان دهد ادرار چگونه غلیظ می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آرایش جریان‌های مخالف لوله‌ها چگونه به کلیه اجازه می‌دهد ادرار را غلیظ کند؟

کنار می‌گذارد: ویژگی‌های لوله‌ها و چیدمان سه‌بعدی در گونه‌های اندکی اندازه‌گیری شده، پس پارامترها از جانوران برون‌یابی می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی دقیقه تا ساعت روی یک ایستگاه کاری.از: 1966 تحلیل Stephenson از غلظت در سامانه‌های ضدجریان کلیوی. منبع

مدل‌های تارهای صوتی و تولید صدا

تارهای صوتی مانند جرم‌هایی روی فنر که هوای شش‌ها می‌راندشان، جفت‌شده با شکل گلو و دهان، تا صدای واک‌دار تولید شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه تنظیمات فیزیکی چین‌های صوتی صدایی روشن، دمیده یا خشن می‌سازد؟

کنار می‌گذارد: چین‌ها به چند جرم کاهش یافته‌اند، پس لایه‌های بافت و جریان کامل سه‌بعدی هوا گرفته نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی ثانیه تا دقیقه برای هر جملهٔ صدای واکدار.از: 1972 مدل دوجرمی ایشیزاکا و فلاناگان از تارهای صوتی برای ترکیب صداهای واکدار. منبع

مدل‌های ساعت شبانه‌روزی

نوسان‌گرهای جفت‌شده که ساعت بدن را نشان می‌دهند به نور و زمان‌بندی استراحت پاسخ می‌دهند، و پیش‌بینی می‌کنند خواب و هوشیاری با تغییر برنامه یا سفر چگونه جابه‌جا می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: ساعت بدن پس از یک پرواز یا تغییر شیفت چقدر طول می‌کشد تا خودش را تنظیم کند؟

کنار می‌گذارد: چند نوسان‌گر جای شبکه‌ای کامل از نورون‌ها می‌نشینند، و آدم‌ها در دورهٔ ساعت درونی و حساسیت به نور تفاوت زیادی دارند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁵ FLOPS تقریبی ثانیه روی یک لپ‌تاپ.از: 1982 کرونائر و همکارانش، مدل ریاضی دستگاه شبانه‌روزی انسان با دو نوسانگر برهم‌کنشگر. منبع

مدل‌های همه‌گیری بخشی (کمپارتمانی)

جمعیتی که به مستعد، آلوده و بهبودیافته تقسیم شده و نرخ‌هایی میان آن‌ها جریان دارد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این شیوع چقدر بزرگ می‌شود و کی به اوج می‌رسد؟

کنار می‌گذارد: آمیختگی همگن را فرض می‌کند، که هر فرد با هر فرد دیگر با نرخی یکسان ملاقات می‌کند؛ الگوهای تماس واقعی چنین نیستند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی لپ‌تاپی که چند معادلهٔ جفت‌شدهٔ همه‌گیری را حل می‌کنداز: 1927 معادلات کرمک و مک‌کندریک برای یک اپیدمی بسته

مدل تعاملی را اجرا کنید

همه‌گیری‌های عامل‌محور

جمعیتی مصنوعی از یک شهر یا کشور کامل، که هر فردش خانوار، مدرسه یا محل کار و تماس‌هایی دارد که بیماری از راه آن‌ها پخش می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام اقدام‌ها پخش را بیشتر کند می‌کنند، با کمترین هزینه؟

کنار می‌گذارد: به داده‌های دقیق خانوار، مدرسه و محل کار نیاز دارد که بسیاری از کشورها ندارند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که جمعیت مصنوعی در مقیاس یک کشور را شبیه‌سازی می‌کنداز: 2005 مدل‌های عامل‌محور همه‌گیری آنفلوانزا از لونگینی، فرگوسن و همکارانشان

مدل تعاملی را اجرا کنید

تکامل عامل بیماری‌زا

جهش‌هایی که در یک ویروس یا باکتری هنگام انتقال میان میزبان‌ها پدید می‌آیند و پخش می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: مقاومت به این دارو با چه سرعتی می‌تواند تکامل یابد؟

کنار می‌گذارد: چشم‌انداز جهش و برازندگی واقعی بسیار پیچیده‌تر از مشتی جایگاه ژنی است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که تکامل مقاومت دارویی را شبیه‌سازی می‌کنداز: 1990 نخستین مدل‌های تصادفی تکامل مقاومت دارویی در اچ‌آی‌وی

مدل‌سازی بار بیماری و اقتصاد سلامت

یک بیماری و درمان‌هایش که به‌صورت احتمال بیماری، ناتوانی، هزینه و مرگ دنبال می‌شوند، تا مقایسه شود کدام مداخلهٔ سلامت به ازای هر پوند خرج‌شده بیشترین نفع را دارد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام درمان یا برنامه با این هزینه بیشترین سال زندگی سالم را می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: نسبت دادن عددی به یک سال زندگی یا رنج، قضاوتی ارزشی است که به‌صورت حساب عرضه شده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که مدل هزینه‌اثربخشی همگروهی را اجرا می‌کنداز: 1993 مطالعهٔ جهانی بار بیماری بانک جهانی بر پایهٔ سال‌های زندگی تعدیل‌شده با ناتوانی

اپیدمیولوژی ژنومی شیوع

ژنوم‌های عامل بیماری‌زا که هنگام یک شیوع نمونه‌برداری می‌شوند و برای ساختن درخت تبارنامهٔ عفونت‌ها و استنباط اینکه احتمالاً چه کسی چه کسی را آلوده کرده و با چه سرعتی رشد می‌کند به کار می‌روند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این شیوع واقعاً چگونه پخش می‌شود، فراتر از آنچه ردیابی تماس به‌تنهایی می‌بیند؟

کنار می‌گذارد: فقط موارد توالی‌یابی‌شده در درخت دیده می‌شوند، پس نمونه‌ای ناچیز یا اریب می‌تواند گمراه کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که از هزاران ژنوم درخت می‌سازداز: 2013 ردیابی ژنومی بی‌درنگ یک شیوع ابولا در غرب آفریقا

ارزیابی ریسک مواجهه محیطی و شیمیایی

اینکه مواجههٔ یک جمعیت با یک آلاینده، آلودگی غذایی یا دز پرتو چگونه به احتمال آسیب تبدیل می‌شود، در سراسر دامنهٔ عدم‌قطعیت داده‌ها.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: مواجهه با چه مقدار از این مادهٔ شیمیایی برای کل یک جمعیت بی‌خطر است؟

کنار می‌گذارد: برون‌یابی از دوزهای بالای آزمایشی در جانوران به دوزهای پایین در انسان همواره قضاوتی دشوار است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که مدل مونت‌کارلوی دوز-پاسخ را اجرا می‌کنداز: 1983 چارچوب شورای ملی پژوهش آمریکا برای ارزیابی خطر شیمیایی

مدل‌های همه‌گیری شبکهٔ تحرک

گسترش بیماری که در شبکه‌ای جهانی از شهرها شبیه‌سازی می‌شود که با داده‌های رفت‌وآمد و سفر هوایی به هم متصل‌اند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک شیوع با چه سرعتی به مناطق و کشورهای دیگر می‌رسد؟

کنار می‌گذارد: آمیختگی درون هر شهر ساده شده است و تغییر رفتار مدل نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی اجراهای تصادفی روی هزاران زیرجمعیتاز: 2009 Multiscale mobility networks and the spatial spreading of infectious diseases (2009) منبع

مدل‌های فردمحور مالاریا

آدم‌ها، پشه‌ها و انگل‌های شبیه‌سازی‌شده که عفونت درون‌میزبانی و انتقال را دنبال می‌کنند تا راهبردهای کنترل آزموده شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه ترکیبی از پشه‌بند، دارو و واکسن انتقال مالاریا را کم می‌کند؟

کنار می‌گذارد: بوم‌شناسی پشه و نظام‌های سلامت محلی به‌صورت درشت مدل می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی اجراهای تصادفی بسیار از یک روستای شبیه‌سازی‌شدهاز: 2008 Towards a comprehensive simulation model of malaria epidemiology and control (2008) منبع

قطب‌های مدل‌سازی سناریو

چند تیم مدل‌سازی فرض‌های «چه می‌شد اگر» یکسانی را دربارهٔ واکسن یا گونه‌ها اجرا می‌کنند و پیش‌بینی‌ها در یک مجموعه ترکیب می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: از هر فرض سیاستی یا گونه‌ای چه گسترهٔ آینده‌هایی برمی‌آید؟

کنار می‌گذارد: سناریوها مشروط‌اند، نه پیش‌بینی آنچه رخ خواهد داد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی مجموعهٔ چندتیمی از مدل‌های همه‌گیریاز: 2020 مرکز مدل‌سازی سناریوی کووید-19 آمریکا، از دسامبر 2020 منبع

مدل‌های ردیابی تماس دیجیتال

مدل‌های انتقال با گام ردیابی مبتنی بر اپ برآورد می‌کنند ردیابی و انزوا چقدر باید سریع باشد تا پخش متوقف شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: برای مهار یک همه‌گیری، تماس‌ها را باید با چه سرعتی ردیابی کرد؟

کنار می‌گذارد: پذیرش و پایبندی مقدارهای فرضی‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی اجراهای فرایند شاخه‌ای یا عامل‌محوراز: 2020 Quantifying SARS-CoV-2 transmission suggests epidemic control with digital contact tracing (2020) منبع

گسترش مقاومت ضدمیکروبی

باکتری‌های حساس و مقاوم درون بیماران رقابت می‌کنند و زیر سیاست‌های مختلف آنتی‌بیوتیکی مانند چرخشی، مخلوط یا ترکیبی میان آن‌ها پخش می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام سیاست درمانی رشد عفونت‌های مقاوم را کند می‌کند؟

کنار می‌گذارد: هزینه‌های مقاومت و نرخ‌های انتقال کم اندازه‌گیری شده‌اند و نتایج به آن‌ها بستگی دارد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی مدل‌های بیمارستانی بخشی و فردمحور روی یک لپ‌تاپ.از: 1997 بونهوفر، لیپسیچ و لوین، ارزیابی پروتکل‌های درمانی برای جلوگیری از مقاومت آنتی‌بیوتیکی. منبع

مدل‌های انتقال و مداخله در مالاریا

گزش پشه، رشد انگل، ایمنی انسان و مداخله‌هایی مثل پشه‌بند یا واکسن با هم در یک روستا یا کشور شبیه‌سازی می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام ترکیب کنترل‌ها می‌تواند مالاریا را کم یا ریشه‌کن کند؟

کنار می‌گذارد: بوم‌شناسی پشه و رفتار انسانی محلی کم اندازه‌گیری شده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی فردمحور یک کشور در طول دهه‌ها روی یک خوشه.از: 2008 Smith و همکاران، به‌سوی یک مدل شبیه‌سازی جامع برای همه‌گیری‌شناسی و کنترل مالاریا. منبع

شبیه‌سازی انتقال هوابرد در فضای بسته

تنفس، سرفه و حرف زدن قطره‌ها و آئروسل‌ها را در اتاق آزاد می‌کنند، و دینامیک سیالات دنبال می‌کند کجا می‌روند و فرد دوم چقدر استنشاق می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: ویروس بازدم تا کجا می‌رود و ماسک یا تهویه چقدر مواجهه را کم می‌کنند؟

کنار می‌گذارد: دز عفونی و شرایط واقعی اتاق بیش از هر چیدمان شبیه‌سازی تغییر می‌کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ یک اتاق با ردیابی ذره روی یک خوشه.از: 2020 میتال، نی و سئو، فیزیک جریان کووید-19، مروری بر مطالعات محاسباتی جریان‌های تنفسی. منبع

شبیه‌سازی سیاست کنترل دخانیات

آغاز سیگار کشیدن، ترک آن و مرگ‌ها در یک کشور زیر مالیات‌ها، ممنوعیت‌ها و کارزارها پیش‌بینی می‌شود، و تغییر شیوع و جان‌های نجات‌یافته به‌دست می‌آید.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک مالیات یا ممنوعیت سیگار جان چند نفر را نجات می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: اثرهای سیاست از شواهد گذشته گرفته می‌شود و ممکن است به موقعیت‌های تازه منتقل نشود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁶ FLOPS تقریبی مدل پیش‌بینی جمعیت روی یک لپ‌تاپ.از: 2000 لوی، کامینگز و هایلند، شبیه‌سازی اثر سیاست‌های آغاز نوجوانان بر مصرف کلی سیگار. منبع

بهینه‌سازی تخصیص واکسن

مدل همه‌گیری با بهینه‌ساز ترکیب می‌شود که انتخاب می‌کند کدام گروه‌های سنی یا خطر زودتر از واکسن کمیاب بهره‌مند شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه کسانی را باید اول واکسن زد تا بیشترین جان نجات یابد؟

کنار می‌گذارد: الگوهای تماس و اثربخشی واکسن نامطمئن است، و بهترین گروه به هدف بستگی دارد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی بهینه‌سازی روی اجراهای همه‌گیری بسیار روی یک ایستگاه کاری.از: 2009 مدلاک و گالوانی، بهینه‌سازی توزیع واکسن آنفلوانزا. منبع

کارآزمایی‌های تصویربرداری مجازی

بیماران، اسکنرها و خواننده‌های شبیه‌سازی‌شده برای مقایسهٔ فناوری‌های تصویربرداری بدون ثبت‌نام آدم واقعی به کار می‌روند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا دستگاه تصویربرداری تازه سرطان‌ها را به خوبی دستگاه کنونی پیدا می‌کند؟

کنار می‌گذارد: ضایعه‌ها و خواننده‌های مجازی مدل‌اند و ممکن است تنوع بالینی واقعی را از دست بدهند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی هزاران تصویر شبیه‌سازی‌شده روی یک خوشه.از: 2018 بادانو و همکارانش، آزمایش تصویربرداری درون‌سیلیکونی توموسنتز دیجیتال پستان در برابر ماموگرافی تمام‌میدان. منبع

همه‌گیری‌ها روی شبکه‌های تماس

بیماری میان گره‌های شبکه‌ای گسترش می‌یابد که توزیع درجه‌اش ممکن است بسیار ناهموار باشد، و پیامد به قطب‌ها بستگی دارد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: در چه سطحی از سرایت‌پذیری، همه‌گیری روی شبکه‌ای با قطب‌ها اوج می‌گیرد؟

کنار می‌گذارد: شبکه‌های تماس واقعی با زمان تغییر می‌کنند و فقط تا حدی مشاهده می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁷ FLOPS تقریبی گسترش مونت‌کارلو روی شبکه‌های میلیون‌گره‌ای روی یک ایستگاه کاری.از: 2001 پاستور-ساتوراس و وسپیگنانی، گسترش همه‌گیری در شبکه‌های مقیاس‌آزاد. منبع

دینامیک جمعیت پشه

تخم، لارو، شفیره و بالغ پشه‌ای ناقل بیماری در ظرف‌ها زیر دما و بارش محلی رشد می‌کنند، و تعداد نیش‌زن‌ها را می‌دهند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: فصل آینده چند پشه خواهیم داشت و برداشتن زادگاه‌ها چه تأثیری دارد؟

کنار می‌گذارد: محل‌های زاد و ولد را به‌سختی می‌توان شمرد و از خیابانی تا خیابان دیگر فرق می‌کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁷ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی جدول عمر روی یک لپ‌تاپ.از: 1993 فوکس و همکارانش، مدل جدول زندگی پویا برای Aedes aegypti. منبع

ریزشبیه‌سازی غربالگری سرطان

تاریخچه‌های زندگی افراد با سیر طبیعی سرطان، با و بدون غربالگری شبیه‌سازی می‌شود تا شمار موارد یافت‌شده و مرگ‌های جلوگیری‌شده برآورد شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک برنامهٔ غربالگری جلوی چند مرگ را می‌گیرد، و به چه بهای بیش‌تشخیصی؟

کنار می‌گذارد: سیر آغازین مشاهده‌نشدهٔ سرطان باید فرض شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی میلیون‌ها زندگی شبیه‌سازی‌شده روی یک ایستگاه کاری.از: 1985 هابما و همکارانش، برنامهٔ شبیه‌سازی MISCAN برای ارزیابی غربالگری. منبع

مدل‌های عامل‌محور چاقی و رژیم غذایی

عامل‌هایی با وزن، درآمد و همسایه می‌خورند و جابه‌جا می‌شوند، و پراکندگی وزن بدن در جمعیت با تغییر قیمت غذا یا سیاست‌ها دگرگون می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام مداخله‌ها وزن جمعیت را طی دهه‌ها تغییر می‌دهند؟

کنار می‌گذارد: رفتار به چند قاعده فروکاسته می‌شود و شواهد بلندمدت اندک است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی عامل‌محور جمعیت روی یک ایستگاه کاری.از: 2007 همند و اپستین، کاوش سازوکارهای مستقل از قیمت در همه‌گیری چاقی. منبع

شبیه‌سازی سیاست تخصیص عضو

بیماران فهرست انتظار پیوند، اعضای اهدایی رسیده و قواعد تخصیص شبیه‌سازی می‌شوند تا زمان انتظار و بقا مقایسه شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام قاعدهٔ تخصیص بیشترین سال زندگی و منصفانه‌ترین انتظار را می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: کیفیت عضو و تصمیم‌های بیماران و مراکز ساده شده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی رویدادی سال‌ها صف انتظار روی یک لپ‌تاپ.از: 2000 Zenios، Chertow و Wein، تخصیص پویای کلیه به نامزدهای فهرست انتظار پیوند. منبع

مدل‌های استقرار آمبولانس و آتش‌نشانی

تماس‌های اضطراری تصادفی می‌رسند، واحدها اعزام می‌شوند، و مدل صف زمان پاسخ را برای هر مکان و چیدمان ناحیه می‌دهد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: ایستگاه‌ها و واحدها کجا باید گذاشته شوند تا زمان پاسخ کم شود؟

کنار می‌گذارد: زمان سفر و پراکندگی واقعی تقاضا فرض می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁷ FLOPS تقریبی صف و مونت‌کارلو روی یک لپ‌تاپ.از: 1974 لارسون، یک مدل صف ابرمکعب برای مکان‌یابی تأسیسات و بازتقسیم حوزه‌ها در خدمات اضطراری شهری. منبع

تولید پروندهٔ مصنوعی بیمار

به آدم‌های مصنوعی بیماری، درمان و مواجهه از قواعد بالینی منتشرشده داده می‌شود تا پرونده‌های سلامت واقع‌نما بدون هیچ شخص واقعی تولید شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توان نرم‌افزار و تحلیل را روی پرونده‌های واقع‌نما آزمود بی‌آنکه دادهٔ کسی افشا شود؟

کنار می‌گذارد: پرونده‌ها فقط الگوهایی را دارند که به مولد داده شده، پس بیماری‌های نادر و مسیرهای درمان واقعی کم‌نمایندگی‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁰ FLOPS تقریبی اجرایی در مقیاس لپ‌تاپ برای یک میلیون بیمار.از: 2010 رویکرد داده‌محور بوچاک و همکارانش برای ساخت پرونده‌های پزشکی الکترونیکی مصنوعی. منبع

سم‌شناسی پیش‌بین

ساختار یک داروی نامزد پیش از آنکه ساخته شود، با پایگاه‌های دادهٔ مولکول‌های سمیِ شناخته‌شده مقایسه یا از مدل‌هایی گذرانده می‌شود که با داده‌های آزمایشگاهی و حیوانی آموزش دیده‌اند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این مولکول پیش از ساخته‌شدن احتمالاً به کبد، قلب یا ژن‌ها آسیب می‌زند؟

کنار می‌گذارد: پیش‌بینی‌ها فقط به اندازهٔ مولکول‌های سمی گذشته‌ای قابل‌اتکایند که مدل روی آن‌ها آموزش دیده، و استثناهای زیستی همچنان پدید می‌آیند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که مدل آموزش‌دیدهٔ پیش‌بینی سمیت را اجرا می‌کنداز: 2000 نخستین مدل‌های رابطهٔ ساختار-فعالیت که برای غربال‌گری سمیت دارو به کار رفتند

مدل‌سازی فارماکودینامیک

اینکه غلظت یک دارو در هدفش چگونه به اثر بر بدن تبدیل می‌شود، از اتصال به گیرنده تا یک نشانهٔ بیماری یا زیست‌نشانگر اندازه‌گیری‌شده.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک دز معین واقعاً چقدر اثر می‌گذارد و تا کی؟

کنار می‌گذارد: رابطهٔ ساده و بی‌نقص غلظت-اثر را فرض می‌کند که تحمل و پیشرفت بیماری می‌توانند آن را مختل کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁰ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که چند معادلهٔ جفت‌شدهٔ اثر را حل می‌کنداز: 1968 نخستین مدل‌های اشغال گیرنده که غلظت دارو را به اثر پیوند می‌دادند

شبیه‌سازی طراحی کارآزمایی بالینی

هزاران کارآزمایی فرضی در برابر تغییرپذیری فرض‌شدهٔ بیمار و اثر دارو اجرا می‌شوند، تا اندازه، مدت و قواعد توقف زودهنگام یک کارآزمایی انتخاب شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این کارآزمایی واقعاً به چند بیمار نیاز دارد و کی می‌توان با امنیت آن را متوقف کرد؟

کنار می‌گذارد: کارآزمایی شبیه‌سازی‌شده فقط به اندازهٔ فرض‌هایی واقع‌گرایانه است که دربارهٔ پاسخ بیمار به آن داده شده.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی یک خوشهٔ کوچک که هزاران تکرار آزمایشی شبیه‌سازی‌شده را اجرا می‌کنداز: 1994 نخستین مطالعات شبیه‌سازی که برای برنامه‌ریزی طرح‌های کارآزمایی بالینی تطبیقی به کار رفتند

مدل‌های شبکه‌ای بازاستفادهٔ دارو

داروها، ژن‌ها، پروتئین‌ها و بیماری‌ها در یک شبکهٔ بزرگ به هم پیوند خورده‌اند، تا داروهای موجودی جست‌وجو شود که پیوندهای شناخته‌شده‌شان کاربردی تازه و غیرمنتظره را نشان می‌دهد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا داروی تأییدشده برای یک بیماری می‌تواند بیماری دیگری را هم درمان کند؟

کنار می‌گذارد: پیوندی در شبکه یک نشانه است، نه اثبات؛ بیشتر کاربردهای تازهٔ پیشنهادی هنگام آزمودن باز هم شکست می‌خورند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که شبکهٔ بزرگ دارو-ژن-بیماری را جست‌وجو می‌کنداز: 2011 نخستین غربال‌های شبکه‌ای برای نامزدهای بازاستفادهٔ دارو

مدل‌سازی فرمول‌بندی و رسانش دارو

قرصی که حل می‌شود، چسب دارویی‌ای که دارو آزاد می‌کند یا نانوذره‌ای که دارو را در بدن می‌برد، به‌صورت پخش و واکنش در چند دقیقه تا چند روز دنبال می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این دارو پس از بلعیدن یا تزریق، واقعاً با چه سرعتی و کجا به هدفش می‌رسد؟

کنار می‌گذارد: دستگاه‌های انحلال آزمایشگاهی و گوارش واقعی همیشه با هم نمی‌خوانند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹¹ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی که معادلات پخش و رهایش را حل می‌کنداز: 1961 مدل ریاضی هیگوچی از رهایش دارو از یک ماتریس جامد

طراحی آنتی‌ژن واکسن

سطح یک پروتئین بیماری‌زا با جزئیات اتمی شبیه‌سازی می‌شود تا شکل‌هایی پیدا یا مهندسی شود که دستگاه ایمنی بهتر از همه تشخیص می‌دهد و به یاد می‌سپارد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام بخش از این بیماری‌زا بهترین هدف برای واکسن است؟

کنار می‌گذارد: شکلی که روی صفحه هدف خوبی به نظر می‌رسد هنوز باید در یک دستگاه ایمنی واقعی کار کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه که شبیه‌سازی‌های اتمی پادگن‌های نامزد را اجرا می‌کنداز: 2013 طراحی ساختارمحور یک آنتی‌ژن پایدارشدهٔ ویروس تنفسی

کنترل دیابت حلقه‌بسته به‌صورت درون‌سیلیکونی

جمعیتی از آدم‌های مجازی با دیابت نوع 1، با وعده‌های غذا و دینامیک گلوکز-انسولین، که برای آزمودن الگوریتم‌های کنترل تزریق پیش از آزمایش روی انسان به کار می‌رود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این الگوریتم کنترل گلوکز را در میان آدم‌های بسیار متفاوت ایمن نگه می‌دارد؟

کنار می‌گذارد: رفتار واقعی مثل استرس، بیماری و خرابی حسگر فقط تا حدی گرفته می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی‌های روز مجازی طولانی با صدها آزمودنی روی یک لپ‌تاپ.از: 2009 کواچف و همکارانش، کارآزمایی‌های پیش‌بالینی درون‌رایانه‌ای کنترل حلقه‌بسته دیابت نوع 1. منبع