Buhay at medisina

Pagtupi at dynamics ng protina

Isang protinang binubuo ng sampu-sampung libong atomo, nanginginig, tumitiklop at nagbabago ng hugis sa tubig.

Tanong na sinasagot nito: Paano natutupi ang kadenang ito ng mga amino acid tungo sa gumaganang tatlong-dimensiyonal na istruktura?

Hindi kasama: Kahit ang mahahabang takbo ay sumasaklaw lamang ng microsecond, malayong mas maikli kaysa sa maraming totoong oras ng pagtiklop.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang isang GPU cluster na nagpapatakbo ng mga microsecond ng all-atom dynamicsMula: 1977 Ang unang simulation ng dynamics ng protina nina McCammon, Gelin at KarplusSa simulations tree: Dinamika ng protina

Molecular docking at pagbubuklod ng gamot

Mga kandidatong molekula ng gamot na sinusubukan sa bulsa ng target na protina.

Tanong na sinasagot nito: Alin sa isang milyong molekula ang kakapit sa target na ito?

Hindi kasama: Tinatayang mga marka lang ang docking score; karamihan ng mga hinulaang tagakapit ay hindi gumagana sa laboratoryo.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁵ FLOPS magaspang isang university cluster na nagda-dock ng milyun-milyong kandidatong molekulaMula: 1982 Ang DOCK, ang unang awtomatikong molecular docking program nina Kuntz at mga kasamahan

Mga lamad at ion channel

Ang matabang balat ng selula at ang mga protein gate na nagpapadaan ng mga ion.

Tanong na sinasagot nito: Paano binubuksan at isinasara ng isang nerve cell ang mga channel nito?

Hindi kasama: Nagbubukas at nagsasara ang mga tunay na channel sa loob ng mga millisecond, mas mahaba nang husto kaysa maabot ng karamihan ng simulation.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang isang GPU cluster na nagsi-simulate ng lipid bilayer at ng mga channel nitoMula: 1982 Ang dinamika ng lipid bilayer nina van der Ploeg at Berendsen

Buong particle ng virus

Bawat atomo ng balot ng virus, minsan isang daang milyon sa mga ito, sini-simulate nang sabay-sabay.

Tanong na sinasagot nito: Paano nananatiling buo ang virus, at paano ito nagkakawatak-watak sa loob ng isang selula?

Hindi kasama: Sumasaklaw ang mga takbo ng mga nanosecond hanggang microsecond, mas maikli nang husto kaysa sa tunay na siklo ng impeksiyon.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁷ FLOPS magaspang isang pambansang supercomputer na nagsi-simulate ng isang balot na may sandaang milyong atomoMula: 2006 Ang simulation nina Freddolino at Schulten ng satellite tobacco mosaic virus

Pagtupi at istruktura ng RNA

Isang hibla ng RNA bilang kadena ng mga base na bumubuo ng pares sa sarili, tumitiklop sa isang partikular na tatlong-dimensyong hugis sa halip na ang tuwid na double helix ng DNA.

Tanong na sinasagot nito: Paano tumatahan ang isang hibla ng RNA sa hugis na nagpapahintulot dito na kumilos bilang katalista o regulatory switch?

Hindi kasama: Madalas kailangang itama sa eksperimento ang mga hinulaang istruktura, at hindi kusang sumusunod sa hugis ang gamit.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na nagpapatakbo ng free-energy na software sa pagtiklopMula: 1981 Ang minimum-free-energy na algoritmo nina Zuker at Stiegler sa pagtiklop ng RNA

Enzyme catalysis

Ang active site ng isang enzyme, ang substrate nito at ang nakapalibot na protina, na minomodelo gamit ang quantum mechanics kung saan nababali ang mga bond at klasikong mekanika sa lahat ng iba pa.

Tanong na sinasagot nito: Paano napapabilis ng enzyme na ito ng isang bilyong ulit ang isang reaksiyon?

Hindi kasama: Maliit na bahagi lang ng protina ang tumatanggap ng mahal na quantum na pagtrato, at ang pagpili kung saan iguguhit ang hangganang iyon ay desisyon sa pagmomodelo.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁵ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng pinagsamang kalkulasyong quantum at klasikalMula: 1976 Ang pinagsamang quantum at klasikong modelo nina Warshel at Levitt ng reaksiyon ng enzyme

Mga coarse-grained na modelo ng DNA at RNA

Bawat nucleotide ay isang rigid body na may ilang interaction site, na nagpapahintulot ng simulation ng pagtiklop, hybridisation at nanostructure.

Tanong na sinasagot nito: Paano nagpapares, tumutupi at nag-aassemble ang mga hibla tungo sa mga idinisenyong istruktura?

Hindi kasama: Pinapalitan ng mga mabisang interaksyon ang detalye ng atomo at mga ion.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang Milyun-milyong nucleotide sa mga GPUMula: 2011 oxDNA, a coarse-grained DNA model (2011) pinagmulan

Learned na prediksyon ng istruktura ng protina

Isang neural network na sinanay sa mga kilalang istruktura at datos ng ebolusyon ang humuhula ng nakatiklop na hugis ng isang protina mula sa pagkakasunod-sunod nito.

Tanong na sinasagot nito: Anong tatlong-dimensyonal na hugis ang tinutupi ng kadena ng amino acid na ito?

Hindi kasama: Nagbibigay ito ng istrukturang static, hindi ng landas ng pagtupi o ng dynamics.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁸ FLOPS magaspang Pagsasanay sa malaking sukat; ilang minuto bawat prediksyonMula: 2018 Improved protein structure prediction using potentials from deep learning (2020, CASP13 entry 2018) pinagmulan

Mga generative protein ensemble

Isang generative na modelong sinanay sa mga istruktura at simulation ang gumagawa ng maraming conformation ng isang protina sa halip na iisang hugis.

Tanong na sinasagot nito: Anong mga alternatibong hugis ang maaaring kunin ng protina?

Hindi kasama: Kasing-husay lang ng mga training simulation ang mga populasyon ng estado.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang Pagsasanay at murang pagsampolMula: 2024 AlphaFold meets flow matching for generating protein ensembles (2024) pinagmulan

Molecular dynamics na kinukuwenta ng mga boluntaryo

Libu-libong hiwa-hiwalay na maikling trayektorya ng iisang molekula ang pinatatakbo sa mga donadong kompyuter sa bahay at pinagsasama para makita ang mga pangyayari ng pagtiklop.

Tanong na sinasagot nito: Maibubunyag ba ng maraming maikling takbo na magkakasama ang isang mabagal na prosesong molekular?

Hindi kasama: Maikli at hiwa-hiwalay ang mga trayektorya, kaya kailangang pagdugtungin ang mga istatistika.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁷ FLOPS magaspang Pinagsama-samang mga makina ng mga boluntaryoMula: 2000 Screen savers of the world unite! (2000), the distributed folding project pinagmulan

Stochastic na biyokemika

Mga reaksiyon sa loob ng selula na pinapaputok nang isa-isa nang random, dahil masyadong kaunti ang mga molekula para i-average.

Tanong na sinasagot nito: Bakit magkaiba ang kilos ng mga cell na magkapareho ang genetika?

Hindi kasama: Karaniwang ipinapalagay na maayos na magkahalo ang loob ng cell, na madalas hindi totoo.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na nagpapatakbo ng stochastic na reaction simulationMula: 1977 Ang eksaktong stochastic simulation algorithm ni Gillespie para sa chemical kinetics

Mga gene regulatory network

Mga gene na nagpapaandar at nagpapatigil sa isa't isa, bilang network ng mga interaksyon.

Tanong na sinasagot nito: Paano nagpapasya ang isang selula kung anong uri ng selula ang magiging ito?

Hindi kasama: Bahagya lang ang alam sa karamihan ng tunay na regulatory network, kaya madalas na hinuhulaan ang mga ugnayan.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na nagsi-simulate ng dinamika ng isang gene networkMula: 1969 Mga random Boolean network ni Kauffman ng regulasyon ng gene

Mga metabolic network

Bawat kemikal na reaksyong ginagamit ng isang selula para gawing enerhiya at piyesa ang pagkain, binalanse bilang network ng mga flux.

Tanong na sinasagot nito: Aling gene ang dapat nating patayin para mas maraming kapaki-pakinabang na compound ang magawa ng mikrobyong ito?

Hindi kasama: Ipinapalagay ang steady state at isang optimal na layunin na maaaring hindi tinutugis ng totoong selula.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na lumulutas ng genome-scale na flux balance modelMula: 1986 maagang flux balance analysis ng metabolic network ng selula

Mga whole-cell model

Bawat gene at bawat uri ng molekula sa iisang bakterya, sinusundan sa isang buong siklo ng paghahati.

Tanong na sinasagot nito: Mahuhulaan ba natin ang isang buhay na selula mula sa listahan ng mga bahagi nito?

Hindi kasama: Iisang simpleng bakterya pa lang ang nagawan ng modelong ganito kakumpleto.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng isang siklo ng paghahati ng isang bakteryaMula: 2012 Whole-cell model nina Karr at mga kasamahan ng Mycoplasma genitalium

Pagbuo ng padron

Mga kemikal na kumakalat at nagre-react sa lumalaking tisyu, ang mekanismong iminungkahi ni Alan Turing para sa mga guhit at batik.

Tanong na sinasagot nito: Paano ipinapaliwanag ng mga mekanismong reaction-diffusion ang mga padron ng balat ng hayop at ang pagbuo ng mga daliri sa isang paa't kamay?

Hindi kasama: Gumagamit ang mga tunay na tisyu ng mekanikal na puwersa at mas maraming signal kaysa sa two-chemical na modelo.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na lumulutas ng reaction-diffusion equation sa isang gridMula: 1952 Ang mga kuwenta ni Turing ng reaction-diffusion para sa The Chemical Basis of MorphogenesisSa simulations tree: Reaction-diffusion ni Turing

Patakbuhin ang interactive na modelo

Paglaki ng tisyu at tumor

Mga indibidwal na selulang naghahati, gumagalaw, nag-uunahan para sa oxygen at namamatay.

Tanong na sinasagot nito: Paano lumalaki ang isang tumor, at paano ito mapipigilan ng iskedyul ng paggamot?

Hindi kasama: Mahirap direktang sukatin ang bilis ng paghahati at pagkamatay sa loob ng totoong tumor.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang isang university cluster na sumusubaybay sa libu-libong indibidwal na naghahating selulaMula: 1993 mga maagang cellular automaton na modelo ng paglaki ng solidong tumor

Mga modelo ng tugon sa perturbation ng selula

Isang modelong sinanay sa datos ng single-cell ang humuhula kung paano nagbabago ang gene expression ng isang selula pagkatapos ng gamot o gene edit na hindi nasukat kasama nito.

Tanong na sinasagot nito: Ano ang gagawin ng cell pagkatapos ng interbensyong wala pang sumubok?

Hindi kasama: Correlational; mahina ang pag-extrapolate nito sa mga uri ng selula o gamot na malayo sa training data.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang Malalaking single-cell na training setMula: 2019 scGen predicts single-cell perturbation responses (2019) pinagmulan

Mga agent-based na modelo ng ebolusyon ng tumor

Naghahati, nagmu-mutate at nag-uunahan ang mga indibidwal na selula ng kanser sa isang grid sa nagbabagong microenvironment ng oxygen at asido.

Tanong na sinasagot nito: Paano lumilitaw ang hugis ng tumor at mga agresibong katangian mula sa presyon ng seleksiyon?

Hindi kasama: Pinasimple ang mga tuntunin, at madalas na wala ang suplay ng dugo at mga immune cell.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang Milyun-milyong selula sa isang nodeMula: 2006 Tumor morphology and phenotypic evolution driven by selective pressure from the microenvironment (2006) pinagmulan

Mga metabolic na modelo ng komunidad ng mikrobyo

Ang mga genome-scale na metabolic network ng ilang uri ay pinagsasama kaya ang dumi ng isa ay nagiging pagkain ng iba.

Tanong na sinasagot nito: Paano nagbabahagi ng sustansiya at nagpapatatag nang magkakasama ang mga mikrobyo sa bituka o lupa?

Hindi kasama: Ipinapalagay ang steady state at optimal na paglaki, na hindi pinapansin ang regulasyon at espasyo.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang Linear programming sa maraming uriMula: 2007 Metabolic modeling of a mutualistic microbial community (2007) pinagmulan

Paglaki ng tumor at tugon sa therapy

Isang solidong tumor na itinuturing na masa na pinapakain ng kumakalat na oxygen at sustansya, na may lumalaking nagpaparaming gilid at nagugutom na necrotic na ubod, saka inilalantad sa radyasyon o gamot.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis lumalaki ang isang tumor, at gaano ito nababawasan ng isang takdang dosis?

Hindi kasama: Nag-iiba-iba ang tunay na tumor sa bawat pasyente at sa loob ng mismong tumor. Gumagamit ang modelo ng mga average na parameter at pinasimpleng heometriya.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang three-dimensional na reaction-diffusion model na may mga iskedyul ng paggamot sa loob ng mga linggo ng na-simulate na oras.Mula: 1972 Greenspan, models for the growth of a solid tumour by diffusion. pinagmulan

Ebolusyon ng microenvironment ng tumor

Nag-uunahan ang mga indibidwal na selula ng kanser sa isang grid para sa oxygen at espasyo habang pumipili ng bagong phenotype ang mga gradient ng asido, kaya nag-e-evolve ang tumor habang lumalaki.

Tanong na sinasagot nito: Itinutulak ba ng nakapaligid na tisyu ang tumor tungo sa mas mapanghimasok na mga selula?

Hindi kasama: Pinasimple ang mga tuntunin ng selula at mahirap sukatin ang mga parameter sa mga buhay na tumor.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang hybrid na takbo ng agent-continuum sa loob ng mga simulate na buwan sa workstation o maliit na cluster.Mula: 2006 Anderson at mga kasamahan, hybrid na discrete-continuum na modelo ng phenotypic na ebolusyon na pinapatakbo ng microenvironment. pinagmulan

Paglaki ng mga daluyan ng dugo na udyok ng tumor

Ang mga endothelial na selula ay sumisibol at lumilipat paakyat sa kemikal na gradient na inilalabas ng tumor, na bumubuo ng sumasanga na network ng daluyan na nagpapakain dito.

Tanong na sinasagot nito: Paano kumukuha ng suplay ng dugo ang isang tumor, at ano ang mangyayari kung harangan ang signal?

Hindi kasama: Lubhang pinasimple ang daloy sa daluyan, remodelling at tunay na kimika ng signalling.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang dalawa- o tatlong-dimensyonal na takbo ng pag-usbong sa isang workstation.Mula: 1998 Anderson at Chaplain, tuloy-tuloy at discrete na modelo ng angiogenesis na dulot ng tumor. pinagmulan

Dinamika ng tugon at paglaban sa gamot sa kanser

Nagbabago sa ilalim ng drug therapy ang mga populasyon ng normal, sensitibo at lumalaban na selula ng kanser, kaya unang gumagaling ang pasyente at maaaring bumalik ang sakit pagkatapos.

Tanong na sinasagot nito: Gaano katagal makokontrol ng gamot ang sakit bago lumitaw ang resistensiya?

Hindi kasama: Ang mga compartment lang na masusukat ang minomodelo, at hinuhulaan ang kilos ng stem cell.

Tumatakbo sa: mga 10⁸ FLOPS magaspang ordinary differential equation na iniayon sa mga sukat ng dugo ng pasyente.Mula: 2005 Michor and colleagues, dynamics of chronic myeloid leukaemia. pinagmulan

Dinamika ng produksyon ng selula ng dugo

Magkakaugnay ang stem cell, progenitor at mature na selula ng dugo sa pamamagitan ng feedback na may antala, na nagbubunga ng matatag na bilang o mga oscillation kapag nabigo ang kontrol.

Tanong na sinasagot nito: Bakit paikot ang ilang sakit sa dugo, at ano ang nagbabalik ng normal na produksyon?

Hindi kasama: May spatial na istruktura at maraming uri ng selula ang tunay na bone marrow na pinagsasama-sama.

Tumatakbo sa: mga 10⁶ FLOPS magaspang mga delay differential equation sa isang laptop.Mula: 1978 Mackey, a unified hypothesis for aplastic anaemia and periodic haematopoiesis. pinagmulan

Paglaki ng kolonya ng bakterya at biofilm

Bawat selula ng bakterya ay sini-simulate bilang indibidwal na may sariling laki, paglaki at posisyon, kumakain ng kumakalat na sustansya sa loob ng kolonya o biofilm.

Tanong na sinasagot nito: Paano nahuhubog ang mga kolonya at paano nabubuhay ang mga selula sa loob?

Hindi kasama: Pinasimple ang kilos ng selula at hindi nakukuha ang kimika ng totoong biofilm matrix.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang indibidwal na paglago ng milyun-milyong selula sa isang cluster.Mula: 1998 Kreft, Booth and Wimpenny, BacSim, a simulator for individual-based modelling of bacterial colony growth. pinagmulan

Ang puso

Mga alon ng kuryente sa kalamnan ng puso at ang pagpiga at daloy ng dugong idinudulot nito.

Tanong na sinasagot nito: Papalalain ba ng gamot o aparatong ito ang hindi regular na tibok ng puso?

Hindi kasama: Mahirap pa ring makuha sa iisang modelo ang indibidwal na pagkakaiba ng mga tunay na puso.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng isang tibok ng electromechanics ng buong pusoMula: 1960 Modelong pangkompyuter ni Noble ng action potential ng iisang selula ng Purkinje fibre; kalaunan lang dumating ang mga modelo ng buong puso pinagmulanSa simulations tree: Modelo ng selula ng puso

Daloy ng dugo

Dugong gumagalaw sa mga arterya, ugat at mga aparato gaya ng stent at balbula.

Tanong na sinasagot nito: Saan malamang humina o barado ang arterya na ito?

Hindi kasama: Madalas na itinuturing na matigas ang mga dingding ng daluyan, na hindi nakukuha ang tunay na elastisidad.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁵ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng simulation ng daloy sa arterya na partikular sa pasyenteMula: 1989 Finite-element model nina Perktold at mga kasamahan ng daloy sa carotid artery

Paghinga at mga daanan ng hangin

Hangin na gumagalaw sa mga sumasanga na daanan ng hangin at ang mga particle na dala nito.

Tanong na sinasagot nito: Saan napupunta ang mga nilalanghap na gamot, o pollutant?

Hindi kasama: Karamihan ng mga modelo ay gumagamit ng isang idealisadong puno ng daluyan ng hangin sa halip na sa isang partikular na tao.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang isang university cluster na nagsi-simulate ng daloy ng hangin sa sumasanga na puno ng daanan ng hanginMula: 1993 mga maagang fluid dynamics na modelo ng daloy ng hangin sa bronchial tree

Musculoskeletal biomechanics

Mga buto, kasukasuan at kalamnan bilang magkakaugnay na mekanikal na sistema, naglalakad, nagbubuhat at nahuhulog.

Tanong na sinasagot nito: Aling mga kalamnan ang nagdadala ng bigat, at paano dapat hubugin ang implant na ito?

Hindi kasama: Tinatantiya nang di-tuwiran ang mga puwersa sa loob ng totoong paa, hindi sinusukat.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na lumulutas ng musculoskeletal na modelo ng isang galawMula: 1990 Ang mga computer model nina Delp at mga kasamahan ng musculoskeletal na galaw

Tugon ng immune

Mga immune cell at pathogen na nagkikita, dumarami at nagsesenyasan sa loob ng katawan.

Tanong na sinasagot nito: Bakit gumagaling ang ilang impeksyon at ang iba ay nagiging talamak?

Hindi kasama: Mas masalimuot nang husto ang tunay na immune signalling kaysa sa kayang subaybayan nang buo ng anumang modelo.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng agent-based na simulation ng immune systemMula: 1992 Ang cellular automaton na modelo nina Celada at Seiden sa immune response

Pharmacokinetics

Isang gamot na nasisipsip, kumakalat sa mga compartment ng katawan, nasisira at naaalis.

Tanong na sinasagot nito: Anong dosis, gaano kadalas, para sa taong may ganitong edad at timbang?

Hindi kasama: Maaaring makaligtaan ng modelong average ng populasyon kung paano pinoproseso ng katawan ng isang partikular na pasyente ang isang gamot.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁰ FLOPS magaspang isang desktop workstation na lumulutas ng compartmental na modelo ng gamotMula: 1937 Ang two-compartment na modelo ni Teorell ng distribusyon ng gamot

Mga in silico na klinikal na pagsubok

Mga populasyon ng virtual na pasyente na may makatotohanang pagkakaiba, na binibigyan ng paggamot bago o kasabay ng tunay na pagsubok.

Tanong na sinasagot nito: Sino ang malamang matulungan ng gamutang ito, at sino ang maaaring mapinsala?

Hindi kasama: Kailangan pa rin ng mga regulator ng tunay na pagsubok kasabay nito. Hindi ganap na mapapalitan ng mga virtual na pasyente ang mga ito.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng libu-libong virtual na pasyenteMula: 2011 pagsapit ng 2011, mga maagang in silico na pagsubok na isinumite kasama ng ebidensya para sa isang aparato

Mga digital twin ng puso

Mga modelo ng puso na iniayon sa mga scan at signal ng isang pasyente at ginagamit para hulaan kung paano tutugon ang pusong iyon sa isang terapiya.

Tanong na sinasagot nito: Paano tutugon ang puso ng pasyenteng ito sa isang partikular na paggamot?

Hindi kasama: Nakasalalay ang kalidad ng fit sa imaging data, at inihihinuha ang mga katangian ng tisyu.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁵ FLOPS magaspang Mga personalised na electromechanical na takbo kasama ang fittingMula: 2020 The 'Digital Twin' to enable the vision of precision cardiology (2020) pinagmulan

Mga neural predictive na modelo ng mga sensory na bahagi ng utak

Isang neural network na sinanay sa mga naitalang tugon ang nagiging kapalit ng isang bahagi ng utak, na hinahayaan ang mga mananaliksik na subukan in silico ang mga stimulus na pinakamalakas na nagpapasigla sa mga neuron.

Tanong na sinasagot nito: Aling stimulus ang pinakamalakas na nagpapagana sa isang neuron?

Hindi kasama: Kailangang beripikahin ang mga hula sa tunay na tisyu at saklaw lang ng mga hayop na nasubukan.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang Pagsasanay sa mga rekording, saka walang limitasyong virtual na pagsubokMula: 2019 Inception loops discover what excites neurons most using deep predictive models (2019) pinagmulan

Mga modelo ng field sa brain-stimulation

Sinusundan ng mga finite-element na modelo ng ulo kung paano kumakalat ang kuryente mula sa mga electrode o coil sa anit, bungo at tisyu ng utak.

Tanong na sinasagot nito: Saan sa utak tumatama ang electric field mula sa stimulator?

Hindi kasama: Hindi tiyak ang conductivity ng tisyu, at hindi sinisimulate ang tugon ng nerbiyos.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang Mga finite-element na solusyon sa mga indibidwal na head meshMula: 2009 Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation (2009) pinagmulan

Mga modelo ng pagkalantad sa gamot na virtual-population

Mga modelo ng transportasyon ng gamot sa buong katawan na tumatakbo sa sintetikong populasyong nag-iiba sa edad, gene at tungkulin ng organo.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kalaki ang pagkakaiba ng antas ng gamot sa mga bata, matatanda at pasyenteng may sakit sa organ?

Hindi kasama: Nakasalalay sa nasukat na datos ng enzyme at transporter.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang Libu-libong virtual na paksa sa isang workstationMula: 2009 The Simcyp population-based ADME simulator (2009) pinagmulan

Mga modelo ng komunidad ng gut microbiome

Dose-dosenang uri ng bakterya sa bituka na nag-uugnayan sa pamamagitan ng kompetisyon at cross-feeding, sinusubaybayan ang dami nila sa paglipas ng panahon sa ilalim ng gambala ng diyeta o antibiotic.

Tanong na sinasagot nito: Aling mga espesye ang nananatiling matatag sa bituka, at aling kaguluhan ang makapagpapabago sa komunidad?

Hindi kasama: Hinuhulaan mula sa maingay na datos ang lakas ng mga interaksiyon at maaaring hindi ito totoo sa labas ng mga sinampulang kondisyon.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁰ FLOPS magaspang generalised Lotka-Volterra na fitting at metabolic community simulation sa isang workstation.Mula: 2013 Stein at mga kasamahan, ecological modelling mula sa time-series inference ng microbiota ng bituka. pinagmulan

Pagpaplano ng operasyon gamit ang mga modelong tiyak sa pasyente

Ginagawang personal na anatomical na modelo ang isang scan, virtual na inilalapat ang isang opsyon sa operasyon, at kinukwenta ang daloy o stress para maihambing ang mga kalalabasan bago mag-opera.

Tanong na sinasagot nito: Aling opsyon sa operasyon ang nagbibigay sa pasyenteng ito ng pinakamahusay na resulta?

Hindi kasama: Ipinapalagay mula sa mga average ang katangian ng tisyu at hindi minomodelo ang paghilom pagkatapos ng operasyon.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang isang flow o stress solve bawat kandidatong plano, oras sa isang cluster.Mula: 1999 Taylor at mga kasamahan, predictive medicine gamit ang mga teknik na komputasyonal para sa mga desisyon sa panggagamot. pinagmulan

Interaksiyong fluid-structure ng balbula ng puso

Isang nababaluktot na dahon ng balbula at ang dugong dumadaloy sa paligid nito ay sabay na kinukwenta, habang itinutulak itong bumukas at isinasara nang malakas ng daloy na kinokontrol nito.

Tanong na sinasagot nito: Paano bumubukas at sumasara ang isang balbula, at paano binabago ng kapalit na balbula ang daloy?

Hindi kasama: Pinasimple ang mga katangian ng materyal ng leaflet at ang galaw ng nakapaligid na kalamnan.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁵ FLOPS magaspang mga moving-boundary na solve ng likido sa isang cluster.Mula: 1972 Peskin, flow patterns around heart valves, introducing the immersed boundary method. pinagmulan

Adaptasyon ng buto at remodelling ng implant

Mga finite-element na modelo ng buto kung saan idinadagdag ang tisyu kung saan mataas ang stress at inaalis kung saan mababa, sa loob ng mga buwan at taon.

Tanong na sinasagot nito: Paano magbabago ang buto sa paligid ng implant sa paglipas ng panahon?

Hindi kasama: Penomenolohikal na batas ang tuntunin ng remodelling at nag-iiba sa bawat pasyente.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang paulit-ulit na finite-element solve sa isang workstation.Mula: 1987 Huiskes and colleagues, adaptive bone-remodelling theory applied to prosthetic design. pinagmulan

Mga musculoskeletal na modelo para sa operasyon

Ang mga buto, kasukasuan at muscle-tendon actuator ng binti o braso ay imodelo para masubukan ang epekto ng pagbabagong kirurhiko, gaya ng tendon transfer, sa galaw.

Tanong na sinasagot nito: Mapapabuti ba ng paglilipat ng litid na ito ang paglalakad ng pasyente?

Hindi kasama: Tinatantiya ang pag-activate ng kalamnan, hindi sinusukat, at hindi minomodelo ang kontrol ng nerbiyos.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang inverse dynamics at pag-optimize ng kalamnan sa isang laptop.Mula: 1990 Delp at mga kasamahan, isang interactive na graphics-based na modelo ng ibabang bahagi ng katawan para pag-aralan ang orthopaedic na operasyon. pinagmulan

Pagkalkula ng dosis ng radiotherapy

Sinusundan ng Monte Carlo transport ang mga photon o proton sa scan ng pasyente para kuwentahin ang dosis ng radyasyon sa tumor at sa malusog na tisyu.

Tanong na sinasagot nito: Naibibigay ba ng planadong beam ang dosis sa tumor habang inililigtas ang mga kalapit na organo?

Hindi kasama: Snapshot ang scan, kaya tinatantiya ang galaw ng pasyente at pagbabago ng anatomiya habang ginagamot.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang milyun-milyon hanggang bilyun-bilyong kasaysayan bawat plano sa isang cluster o GPU.Mula: 1988 Mackie and colleagues, photon energy deposition kernels generated with the EGS Monte Carlo code. pinagmulan

Mga virtual na anatomical phantom para sa imaging

Mga digital na katawan ng tao na may detalyadong organo at tumitibok o humihingang galaw, ginagamit bilang paksa ng mga na-simulate na scan para masubok ang mga pamamaraan sa imaging laban sa kilalang tunay na sagot.

Tanong na sinasagot nito: Mababawi ba ng scanner at algorithm na ito ang isang kilalang abnormalidad?

Hindi kasama: Hugis na modelo ang phantom na inayos sa ilang paksa at hindi nito nakukuha ang buong saklaw ng anatomiya.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang ray-tracing o transport simulation bawat scan sa isang workstation.Mula: 2010 Segars and colleagues, the 4D XCAT phantom for multimodality imaging research. pinagmulan

Simulasyon ng magnetic resonance image

Sinisimulate ang pisika ng mga nuclear spin sa magnetic field sa pamamagitan ng pulse sequence para lumikha ng sintetikong mga scan ng virtual na katawan.

Tanong na sinasagot nito: Anong larawan ang malilikha ng sunod-sunod na ito para sa tisyung ito?

Hindi kasama: Average ang mga halaga ng pagrerelaks ng tisyu at bahagya lang minomodelo ang galaw at di-perpektong hardware.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang Bloch-equation na simulation ng buong volume sa isang GPU.Mula: 2005 Benoit-Cattin at mga kasamahan, ang SIMRI na interactive na MRI simulator. pinagmulan

Simulation ng paghilom ng bali

Ang mekanikal na strain sa naghihilom na puwang ng nabaling buto ang nagpapasya kung ang tisyu ay mabubuo bilang kartilago, bagong buto o fibrous na peklat.

Tanong na sinasagot nito: Papayagan ba ng fixation ng bali na ito na maghilom ang buto?

Hindi kasama: Empirikal ang tuntunin ng pagkakaiba ng tisyu at pinasimple ang suplay ng dugo.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁰ FLOPS magaspang mga finite-element na solusyon sa mga linggong na-simulate sa isang workstation.Mula: 1999 Claes at Heigele, lokal na stress at strain sa mga ibabaw ng buto na humuhula ng takbo at uri ng paghilom ng bali. pinagmulan

Dinamika ng virus sa loob ng host

Sinusubaybayan ang malayang virus, mga nahawang selula at target na selula sa loob ng isang pasyente, at ang pagbabago nila pagkatapos magsimula ng paggamot ay naglalantad kung gaano kabilis ginagawa at inaalis ang virus.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis dumarami ang virus sa loob ng isang tao, at ano ang binabago ng paggamot?

Hindi kasama: Hindi kinakatawan ang istruktura ng tisyu at mga lugar ng impeksyon maliban sa dugo.

Tumatakbo sa: mga 10⁷ FLOPS magaspang ilang magkakaugnay na differential equation na ni-fit sa time series ng isang pasyente.Mula: 1996 Perelson and colleagues, HIV-1 dynamics in vivo. pinagmulan

Coronary flow reserve mula sa mga scan

Ang daloy ng dugo sa mga coronary artery ay kinukwenta mula sa scan ng puso para tantiyahin kung sapat ang pagitid ng isang bahagi para hadlangan ang daloy at mangailangan ng stent.

Tanong na sinasagot nito: Sapat ba ang pagkitid na ito para kulangin sa dugo ang kalamnan ng puso?

Hindi kasama: Ang mga boundary condition sa maliliit na daluyan ay tinatantiya mula sa pasyente sa halip na sukatin.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang isang patient-specific na flow solve bawat scan sa isang cluster.Mula: 2013 Taylor at mga kasamahan, CFD na inilapat sa cardiac CT para sa hindi-invasive na pagsukat ng fractional flow reserve. pinagmulan

Mekanika ng cochlea

Ang mga alon ng tunog sa likido ng panloob na tainga ay nakakabit sa nanginginig na lamad sa loob ng cochlea, na lumilikha ng naglalakbay na alon na nag-aayos ng mga tono.

Tanong na sinasagot nito: Paano ginagawang signal na naka-code ayon sa lugar ang tunog ng tainga?

Hindi kasama: Kinakatawan ng tinatayang feedback ang aktibong pagpapalakas ng mga hair cell.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁰ FLOPS magaspang mga finite-difference na solusyon ng likido ng cochlea sa isang workstation.Mula: 1981 Neely, a finite-difference solution of a two-dimensional model of the cochlea. pinagmulan

Pisyolohiyang integratibo ng buong katawan

Ang presyon ng dugo, bato, balanse ng likido at mga hormone ay iniuugnay sa iisang modelo ng sirkulasyon at regulasyon nito.

Tanong na sinasagot nito: Paano pinapanatili ng katawan ang presyon ng dugo, at ano ang mangyayari kapag pumalya ang isang organ?

Hindi kasama: Bawat organo ay isang lumped na compartment at wala ang detalye ng selula.

Tumatakbo sa: mga 10⁶ FLOPS magaspang daan-daang differential equation sa isang laptop.Mula: 1972 Guyton, Coleman and Granger, circulation: overall regulation. pinagmulan

Bioheat transfer at hyperthermia

Pagdaloy ng init sa tisyu na may daloy ng dugong nagtatangay ng init, na ginagamit para hulaan ang temperatura sa lagnat, heat stress o paggamot sa kanser na gumagamit ng init.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kainit ang tisyu at gaano kalalim ang init?

Hindi kasama: Itinuturing ang perfusion ng dugo bilang pare-parehong heat sink.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang mga finite-element na solusyon ng init sa isang workstation.Mula: 1948 Pennes, analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. pinagmulan

Mga modelo ng transportasyon sa nephron ng bato

Tubig, asin at urea na gumagalaw sa mga loop at tubule ng bato, na nilulutas bilang magkakaugnay na daloy para ipakita kung paano nagiging mas puro ang ihi.

Tanong na sinasagot nito: Paano nagagawang magpakonsentrado ng ihi ng bato dahil sa countercurrent na ayos ng mga tubule?

Hindi kasama: Sa kakaunting espesye lang nasusukat ang mga katangian ng tubule at ang tatlong-dimensyonal na ayos, kaya ini-extrapolate mula sa mga hayop ang mga parameter.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang minuto hanggang oras sa isang workstation.Mula: 1966 Ang pagsusuri ni Stephenson sa konsentrasyon sa mga counterflow system ng bato. pinagmulan

Mga modelo ng vocal fold at paglikha ng tinig

Ang vocal folds bilang mga masa sa mga spring na itinutulak ng hangin mula sa baga, na nakakabit sa hugis ng lalamunan at bibig, para lumikha ng tinig.

Tanong na sinasagot nito: Anong mga pisikal na setting ng mga fold ang lumilikha ng malinaw, hinihingal o magaspang na tinig?

Hindi kasama: Binabawasan sa ilang masa ang mga tupi, kaya hindi nakukuha ang mga patong ng tisyu at ang buong tatlong-dimensyonal na daloy ng hangin.

Tumatakbo sa: mga 10⁸ FLOPS magaspang segundo hanggang minuto bawat pangungusap ng may-tinig na tunog.Mula: 1972 Two-mass model ni Ishizaka at Flanagan ng vocal cords para sa pagsisintesis ng may-tinig na tunog. pinagmulan

Mga modelo ng circadian clock

Mga magkakabit na oscillator na kumakatawan sa body clock ang tumutugon sa liwanag at tiyempo ng pahinga, na humuhula kung paano nagbabago ang tulog at pagiging alerto kapag nagbago ang iskedyul o paglalakbay.

Tanong na sinasagot nito: Gaano katagal bago makapag-adjust ang body clock pagkatapos ng biyahe sa eroplano o pagbabago ng shift?

Hindi kasama: Ilang oscillator ang kumakatawan sa buong network ng mga neuron, at malaki ang pagkakaiba ng mga tao sa clock period at sensitibidad sa liwanag.

Tumatakbo sa: mga 10⁵ FLOPS magaspang segundo sa isang laptop.Mula: 1982 Mathematical na modelo nina Kronauer at mga kasamahan ng circadian system ng tao na may dalawang nag-uugnayang oscillator. pinagmulan

Mga compartment epidemic model

Isang populasyong hinati sa madaling mahawa, nahawa at gumaling, na may mga bilis na dumadaloy sa pagitan nila.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kalaki ang aabutin ng outbreak na ito, at kailan ito aabot sa rurok?

Hindi kasama: Ipinapalagay ang homogeneous na paghahalo, kung saan nagkikita ang bawat tao at ang bawat iba pa sa parehong bilis, na hindi tumutugma sa totoong pattern ng kontak.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang isang laptop na lumulutas ng ilang magkakaugnay na equation ng epidemyaMula: 1927 Mga ekwasyon nina Kermack at McKendrick para sa saradong epidemya

Patakbuhin ang interactive na modelo

Mga agent-based na epidemya

Isang sintetikong populasyon ng buong lungsod o bansa, bawat tao ay may sambahayan, paaralan o pinagtatrabahuhan, at mga kontak na dinadaanan ng sakit.

Tanong na sinasagot nito: Anong mga hakbang ang pinakamabisang nagpapabagal sa pagkalat, sa pinakamababang gastos?

Hindi kasama: Nangangailangan ng detalyadong datos ng sambahayan, paaralan at lugar ng trabaho na kulang sa maraming bansa.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁶ FLOPS magaspang isang university cluster na nagsi-simulate ng sintetikong populasyon sa antas ng bansaMula: 2005 Mga agent-based na modelo ng pandemya ng trangkaso nina Longini, Ferguson at mga kasamahan

Patakbuhin ang interactive na modelo

Ebolusyon ng pathogen

Mga mutasyong lumilitaw at kumakalat sa virus o bakterya habang lumilipat ito sa pagitan ng mga host.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis puwedeng mag-evolve ang resistensiya sa gamot na ito?

Hindi kasama: Mas masalimuot nang husto ang tunay na mutasyon at fitness landscape kaysa sa iilang locus.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na nagsi-simulate ng ebolusyon ng paglaban sa gamotMula: 1990 mga maagang stochastic na modelo ng ebolusyon ng paglaban sa gamot sa HIV

Pagmomodelo ng pasanin ng sakit at ekonomiyang pangkalusugan

Isang sakit at ang mga lunas nito na sinusubaybayan bilang mga probabilidad ng pagkakasakit, kapansanan, gastos at kamatayan, ginagamit para ihambing kung aling mga interbensyon sa kalusugan ang pinakamalaki ang naidudulot na kabutihan sa bawat pound na ginugol.

Tanong na sinasagot nito: Aling gamutan o programa ang nagbibigay ng pinakamaraming malulusog na taon ng buhay para sa pera?

Hindi kasama: Ang paglalagay ng numero sa isang taon ng buhay o paghihirap ay paghuhusga ng halaga na ipinakikita bilang aritmetika.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang isang desktop workstation na nagpapatakbo ng cohort cost-effectiveness modelMula: 1993 ang pandaigdigang pag-aaral ng World Bank sa pasanin ng sakit sa disability-adjusted life year

Genomic epidemiology ng outbreak

Mga genome ng pathogen na kinuhanan ng sampol sa panahon ng outbreak, na ginagamit para bumuo ng family tree ng mga impeksiyon at hulaan kung sino ang malamang na nakahawa kanino at gaano kabilis lumalaki.

Tanong na sinasagot nito: Paano aktuwal na kumakalat ang outbreak na ito, lampas sa nakikita ng contact tracing lamang?

Hindi kasama: Mga kasong na-sequence lang ang lumilitaw sa puno, kaya maaaring magligaw ang manipis o may-kinikilingang sampol.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang isang university cluster na bumubuo ng mga puno mula sa libu-libong genomeMula: 2013 real-time na genomic tracking ng outbreak ng Ebola sa West Africa

Pagtatasa ng panganib sa pagkahantad sa kapaligiran at kemikal

Kung paano nagiging posibilidad ng pinsala ang pagkakalantad ng isang populasyon sa isang pollutant, kontaminante sa pagkain o dosis ng radyasyon, na pinatatakbo sa buong saklaw ng kawalang-katiyakan ng datos.

Tanong na sinasagot nito: Gaano karami sa kemikal na ito ang ligtas na ilantad sa buong populasyon?

Hindi kasama: Ang pag-extrapolate mula sa mataas na dosis ng pagsubok sa mga hayop tungo sa mababang dosis sa mga tao ay patuloy na isang paghuhusga.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang isang desktop workstation na nagpapatakbo ng Monte Carlo dose-response modelMula: 1983 ang balangkas ng US National Research Council para sa pagtatasa ng panganib ng kemikal

Mga modelo ng epidemya sa mobility network

Sakit na kumakalat na sini-simulate sa pandaigdigang network ng mga lungsod na magkakakonekta ng datos ng pag-commute at paglalakbay sa eroplano.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis aabot ang isang outbreak sa ibang rehiyon at bansa?

Hindi kasama: Pinasimple ang paghahalo sa loob ng bawat lungsod, at hindi minomodelo ang pagbabago ng pag-uugali.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang Mga stochastic na takbo sa libu-libong subpopulasyonMula: 2009 Multiscale mobility networks and the spatial spreading of infectious diseases (2009) pinagmulan

Mga modelo ng malarya na batay sa indibidwal

Sinusundan ng mga simulate na tao, lamok at parasito ang impeksiyon sa loob ng host at transmisyon para subukin ang mga estratehiya sa pagkontrol.

Tanong na sinasagot nito: Anong halo ng mga lambat, gamot at bakuna ang makababawas sa transmisyon ng malaria?

Hindi kasama: Magaspang na minomodelo ang ekolohiya ng lamok at mga lokal na sistemang pangkalusugan.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang Maraming stochastic na takbo ng isang simulate na nayonMula: 2008 Towards a comprehensive simulation model of malaria epidemiology and control (2008) pinagmulan

Mga scenario modelling hub

Pinatatakbo ng ilang pangkat ng pagmomodelo ang parehong what-if na palagay tungkol sa bakuna o variant, at pinagsasama ang mga proyeksiyon sa iisang ensemble.

Tanong na sinasagot nito: Anong saklaw ng mga hinaharap ang kasunod ng bawat palagay sa patakaran o variant?

Hindi kasama: Kondisyonal ang mga senaryo, hindi hula sa kung ano ang mangyayari.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang Multi-team na ensemble ng mga modelo ng epidemyaMula: 2020 US COVID-19 Scenario Modeling Hub, mula Disyembre 2020 pinagmulan

Mga modelo ng digital contact-tracing

Tinatantiya ng mga modelo ng transmisyon na may hakbang ng app-based tracing kung gaano kabilis dapat ang pagsubaybay at pag-isolate para mapigil ang pagkalat.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis dapat masubaybayan ang mga nakasalamuha para makontrol ang isang epidemya?

Hindi kasama: Ipinapalagay na halaga ang pagtanggap at pagsunod.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang Mga takbo ng branching-process o ahenteMula: 2020 Quantifying SARS-CoV-2 transmission suggests epidemic control with digital contact tracing (2020) pinagmulan

Pagkalat ng antimicrobial resistance

Nagpapaligsahan sa loob ng mga pasyente ang mga bakteryang madaling tablan at lumalaban, at kumakalat sa pagitan nila sa ilalim ng iba't ibang patakaran sa antibiotic tulad ng pag-ikot, paghahalo o pinagsamang gamutan.

Tanong na sinasagot nito: Aling patakaran sa gamutan ang nagpapabagal sa pagtaas ng mga impeksyong lumalaban sa gamot?

Hindi kasama: Mahirap sukatin ang gastos ng resistensiya at bilis ng transmisyon, at nakasalalay dito ang mga resulta.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang mga compartment at individual-based na modelo ng ospital sa isang laptop.Mula: 1997 Bonhoeffer, Lipsitch at Levin, pagsusuri ng mga protocol sa paggamot para pigilan ang antibiotic resistance. pinagmulan

Mga modelo ng pagkalat ng malarya at interbensiyon

Sabay na sinisimulate sa isang nayon o bansa ang pangangagat ng lamok, pag-unlad ng parasito, immunity ng tao at mga interbensiyon tulad ng bed net o bakuna.

Tanong na sinasagot nito: Anong kombinasyon ng mga kontrol ang makababawas o makapag-aalis ng malaria?

Hindi kasama: Hindi gaanong nasusukat ang ekolohiya ng lamok at lokal na pag-uugali ng tao.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang indibidwal na simulation ng isang bansa sa loob ng mga dekada sa isang cluster.Mula: 2008 Smith at mga kasamahan, tungo sa komprehensibong modelo ng simulasyon ng epidemiolohiya at pagkontrol ng malaria. pinagmulan

Simulasyon ng airborne na pagkalat sa loob ng gusali

Ang paghinga, pag-ubo at pagsasalita ay naglalabas ng mga patak at aerosol sa isang silid, at sinusundan ng fluid dynamics kung saan sila pupunta at gaano karami ang malalanghap ng ikalawang tao.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kalayo naglalakbay ang inilabas na virus, at gaano kalaki ang nababawas ng mga maskara o bentilasyon sa pagkakalantad?

Hindi kasama: Mas malawak ang pagkakaiba ng infectious dose at tunay na kondisyon ng silid kaysa sa ipinapalagay ng anumang setup ng simulation.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁴ FLOPS magaspang large-eddy simulation ng isang silid na may particle tracking sa isang cluster.Mula: 2020 Mittal, Ni and Seo, the flow physics of COVID-19, reviewing computational studies of respiratory flows. pinagmulan

Simulasyon ng patakaran sa pagkontrol ng tabako

Ipinoproyekto ang pagsisimula, paghinto at pagkamatay dahil sa paninigarilyo sa isang bansa sa ilalim ng mga buwis, pagbabawal at kampanya, at lumalabas ang pagbabago sa prevalence at ang bilang ng buhay na nailigtas.

Tanong na sinasagot nito: Ilang buhay ang maililigtas ng isang buwis o pagbabawal sa paninigarilyo?

Hindi kasama: Kinukuha mula sa nakaraang ebidensiya ang mga epekto ng patakaran at maaaring hindi mailipat sa mga bagong sitwasyon.

Tumatakbo sa: mga 10⁶ FLOPS magaspang population projection model sa isang laptop.Mula: 2000 Levy, Cummings and Hyland, a simulation of the effects of youth initiation policies on overall cigarette use. pinagmulan

Optimisasyon ng paglalaan ng bakuna

Isang epidemic model na isinama sa isang optimiser na pumipili kung aling mga pangkat ng edad o panganib ang unang makakatanggap ng kakaunting bakuna.

Tanong na sinasagot nito: Sino ang dapat unang mabakunahan para pinakamaraming buhay ang maligtas?

Hindi kasama: Hindi tiyak ang mga pattern ng kontak at bisa ng bakuna, at nakasalalay sa layunin ang pinakamainam na grupo.

Tumatakbo sa: mga 10⁸ FLOPS magaspang optimisasyon sa maraming takbo ng epidemya sa isang workstation.Mula: 2009 Medlock and Galvani, optimising influenza vaccine distribution. pinagmulan

Mga virtual na imaging trial

Ginagamit ang mga simulate na pasyente, scanner at reader para ihambing ang mga teknolohiya sa imaging nang hindi nagpapatala ng tunay na tao.

Tanong na sinasagot nito: Nakakahanap ba ng kanser ang isang bagong imaging device nang kasinghusay ng kasalukuyan?

Hindi kasama: Mga modelo ang virtual na sugat at mambabasa na maaaring makaligtaan ang tunay na pagkakaiba-iba sa klinika.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang libu-libong simulate na larawan sa isang cluster.Mula: 2018 Badano at mga kasamahan, in silico imaging trial ng digital breast tomosynthesis kumpara sa full-field mammography. pinagmulan

Mga epidemya sa mga contact network

Kumakalat ang sakit sa pagitan ng mga node ng network na maaaring lubhang hindi pantay ang degree distribution, at nakasalalay ang kinalabasan sa mga hub.

Tanong na sinasagot nito: Sa anong antas ng transmissibility biglang lumalaganap ang isang epidemya sa network na may mga hub?

Hindi kasama: Nagbabago sa paglipas ng panahon ang mga tunay na contact network at bahagya lang ang naoobserbahan.

Tumatakbo sa: mga 10⁷ FLOPS magaspang Monte Carlo na pagkalat sa mga network na may milyun-milyong node sa isang workstation.Mula: 2001 Pastor-Satorras and Vespignani, epidemic spreading in scale-free networks. pinagmulan

Dynamics ng populasyon ng lamok

Ang mga itlog, uod, pupa at nasa hustong gulang na lamok na nagdadala ng sakit ay umuunlad sa mga lalagyan sa ilalim ng lokal na temperatura at ulan, na nagbibigay ng bilang ng mga kumagat.

Tanong na sinasagot nito: Ilang lamok ang magkakaroon sa susunod na panahon, at ano ang magagawa ng pag-alis ng mga pinamumugaran nila?

Hindi kasama: Mahirap bilangin ang mga pinagpupugaran at nag-iiba ito kada kalye.

Tumatakbo sa: mga 10⁷ FLOPS magaspang life-table simulation sa isang laptop.Mula: 1993 Focks at mga kasamahan, isang dynamic life-table na modelo para sa Aedes aegypti. pinagmulan

Microsimulation ng screening ng kanser

Sinisimulate ang mga indibidwal na kasaysayan ng buhay na may natural na takbo ng kanser, mayroon at walang screening, para tantiyahin ang mga nakitang kaso at naiwasang pagkamatay.

Tanong na sinasagot nito: Ilang pagkamatay ang naiiwasan ng isang programa ng screening, at sa anong halaga ng overdiagnosis?

Hindi kasama: Dapat ipalagay ang hindi naobserbahang maagang takbo ng kanser.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang milyun-milyong simulate na buhay sa isang workstation.Mula: 1985 Habbema and colleagues, the MISCAN simulation program for the evaluation of screening. pinagmulan

Mga agent-based na modelo ng obesity at diyeta

Ang mga ahenteng may timbang, kita at kapitbahay ay kumakain at gumagalaw, at nagbabago ang distribusyon ng timbang ng katawan sa populasyon kapag nagbago ang presyo ng pagkain o patakaran.

Tanong na sinasagot nito: Anong mga interbensyon ang nagpapabago sa timbang ng populasyon sa loob ng mga dekada?

Hindi kasama: Pinaliit ang kilos sa ilang tuntunin at kaunti ang pangmatagalang ebidensya.

Tumatakbo sa: mga 10⁸ FLOPS magaspang agent-based simulation ng populasyon sa isang workstation.Mula: 2007 Hammond and Epstein, exploring price-independent mechanisms in the obesity epidemic. pinagmulan

Simulasyon ng patakaran sa paglalaan ng organ

Sinisimulate ang mga pasyente sa waiting list ng transplant, mga dumarating na organ ng donor at tuntunin ng paglalaan para ihambing ang oras ng paghihintay at pagkaligtas.

Tanong na sinasagot nito: Anong tuntunin ng paglalaan ang nagbibigay ng pinakamaraming taon ng buhay at pinakapatas na paghihintay?

Hindi kasama: Pinasimple ang kalidad ng organ at ang mga desisyon ng mga pasyente at sentro.

Tumatakbo sa: mga 10⁸ FLOPS magaspang event simulation ng mga taon ng listahan ng paghihintay sa isang laptop.Mula: 2000 Zenios, Chertow at Wein, dinamikong paglalaan ng mga bato sa mga kandidato sa waiting list ng transplant. pinagmulan

Mga modelo ng paglalagay ng ambulansya at istasyon ng bumbero

Random na dumarating ang mga tawag sa emerhensiya, ipinapadala ang mga yunit, at nagbibigay ang queueing model ng oras ng pagtugon para sa bawat lokasyon at ayos ng distrito.

Tanong na sinasagot nito: Saan dapat ilagay ang mga istasyon at yunit para mabawasan ang oras ng pagtugon?

Hindi kasama: Ipinapalagay ang oras ng biyahe at ang tunay na saklaw ng demand.

Tumatakbo sa: mga 10⁷ FLOPS magaspang queueing at Monte Carlo sa isang laptop.Mula: 1974 Larson, a hypercube queueing model for facility location and redistricting in urban emergency services. pinagmulan

Paglikha ng sintetikong rekord ng pasyente

Binibigyan ang mga artipisyal na tao ng sakit, paggamot at pagkikita mula sa mga inilathalang klinikal na tuntunin, para makagawa ng makatotohanang rekord pangkalusugan na walang totoong tao.

Tanong na sinasagot nito: Masusubok ba ang software at analytics sa mga makatotohanang rekord nang hindi inilalantad ang datos ng sinuman?

Hindi kasama: Ang mga padron lang na inilagay sa generator ang dala ng mga rekord, kaya kakaunti ang kinakatawan ng mga bihirang sakit at tunay na landas ng pangangalaga.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁰ FLOPS magaspang isang takbo sa antas ng laptop para sa isang milyong pasyente.Mula: 2010 Ang data-driven na paraan nina Buczak at mga kasamahan sa paglikha ng mga sintetikong electronic medical record. pinagmulan

Predictive toxicology

Inihahambing ang istruktura ng isang kandidatong gamot sa mga database ng kilalang nakalalasong molekula, o pinapatakbo sa mga modelong sinanay sa datos mula sa laboratoryo at mga hayop, bago pa ito ma-synthesize.

Tanong na sinasagot nito: Malamang bang makasira sa atay, puso o gene ang molekulang ito bago pa natin gawin?

Hindi kasama: Kasing-asahan lang ng mga nakaraang nakalalasong molekula na pinagsanayan ng modelo ang mga hula, at patuloy na lumilitaw ang mga eksepsiyon sa biyolohiya.

Tumatakbo sa: mga 10¹³ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng sinanay na modelo ng paghula ng toxicityMula: 2000 mga maagang structure-activity relationship na modelo na ginamit sa pagsala ng mga gamot para sa toxicity

Pharmacodynamic na pagmomodelo

Kung paano nagiging epekto sa katawan ang konsentrasyon ng gamot sa target nito, mula sa pagbubuklod sa receptor hanggang sa nasukat na sintomas o biomarker.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kalaking epekto ang aktuwal na gagawin ng isang takdang dosis, at sa gaano katagal?

Hindi kasama: Ipinapalagay ang malinis na ugnayan ng konsentrasyon at epekto na maaaring guluhin ng tolerance at paglala ng sakit.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁰ FLOPS magaspang isang desktop workstation na lumulutas ng ilang magkakaugnay na equation ng epektoMula: 1968 mga maagang receptor-occupancy na modelo na nag-uugnay ng konsentrasyon ng gamot sa epekto

Simulation ng disenyo ng clinical trial

Libu-libong haka-hakang pagsubok ang pinatatakbo laban sa ipinapalagay na pagkakaiba ng pasyente at epekto ng gamot, para piliin ang laki, tagal at mga tuntunin ng maagang paghinto ng pagsubok.

Tanong na sinasagot nito: Ilang pasyente ang aktuwal na kailangan ng pagsubok na ito, at kailan ito ligtas na ihinto?

Hindi kasama: Kasinrealistiko lang ang simulate na pagsubok ng mga palagay tungkol sa tugon ng pasyente na ibinibigay dito.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang maliit na cluster na nagpapatakbo ng libu-libong na-simulate na trial replicateMula: 1994 mga maagang simulation study na ginamit sa pagpaplano ng adaptive na disenyo ng clinical trial

Mga network model ng drug repurposing

Mga gamot, gene, protina at sakit na iniugnay sa isang malaking network, hinahanapan ng mga umiiral na gamot na ang mga kilalang koneksyon ay nagmumungkahi ng di-inaasahang bagong gamit.

Tanong na sinasagot nito: Maaari bang gamutin din ng gamot na aprubado na para sa isang sakit ang isa pa?

Hindi kasama: Pahiwatig lang ang isang link sa network, hindi patunay; karamihan ng mga iminumungkahing bagong gamit ay bumabagsak pa rin kapag sinubok.

Tumatakbo sa: mga 10¹² FLOPS magaspang isang desktop workstation na naghahanap sa malaking network ng gamot, gene at sakitMula: 2011 mga maagang network-based na screen para sa mga kandidato ng drug repurposing

Pagmomodelo ng pormulasyon at paghahatid ng gamot

Isang tabletang natutunaw, isang patch na naglalabas o isang nanoparticle na nagdadala ng gamot sa katawan, sinusundan bilang diffusion at reaksyon sa loob ng mga minuto hanggang araw.

Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis at saan aktuwal na aabot ang gamot na ito sa target nito kapag nalunok o na-inject?

Hindi kasama: Hindi laging nagkakasundo ang mga dissolution rig sa laboratoryo at ang tunay na panunaw.

Tumatakbo sa: mga 10¹¹ FLOPS magaspang isang desktop workstation na lumulutas ng mga equation ng diffusion at paglalabasMula: 1961 Mathematical na modelo ni Higuchi ng paglabas ng gamot mula sa solidong matrix

Disenyo ng antigen ng bakuna

Ang ibabaw ng protina ng pathogen na sinisimulate sa antas ng atom para hanapin o likhain ang mga hugis na pinakamahusay na makikilala at maaalala ng immune system.

Tanong na sinasagot nito: Aling bahagi ng pathogen na ito ang pinakamahusay na target ng bakuna?

Hindi kasama: Ang hugis na mukhang magandang target sa screen ay kailangan pa ring gumana sa isang totoong immune system.

Tumatakbo sa: mga 10¹⁵ FLOPS magaspang isang university cluster na nagpapatakbo ng atomic na simulation ng mga kandidatong antigenMula: 2013 disenyong nakabatay sa istruktura ng isang stabilised na antigen ng virus sa paghinga

Closed-loop na kontrol sa diabetes in silico

Isang populasyon ng mga virtual na taong may type 1 diabetes, na may mga pagkain at dinamika ng glucose-insulin, ginagamit para subukan ang mga control algorithm sa paghahatid bago ang mga pagsubok sa tao.

Tanong na sinasagot nito: Mapapanatiling ligtas ba ng control algorithm na ito ang glucose sa maraming iba't ibang tao?

Hindi kasama: Bahagya lang nakukuha ang tunay na kilos tulad ng stress, sakit at sira ng sensor.

Tumatakbo sa: mga 10⁹ FLOPS magaspang mahahabang simulation ng virtual na araw ng daan-daang paksa sa isang laptop.Mula: 2009 Kovatchev and colleagues, in silico preclinical trials of closed-loop control of type 1 diabetes. pinagmulan