Vie et médecine

Repliement et dynamique des protéines

Une protéine faite de dizaines de milliers d’atomes, qui s’agitent, se replient et changent de forme dans l’eau.

Question à laquelle elle répond: Comment cette chaîne d’acides aminés se replie-t-elle en une structure tridimensionnelle fonctionnelle ?

Laisse de côté : Même les longues exécutions couvrent au plus des microsecondes, bien en deçà de nombreux vrais temps de repliement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster de GPU qui calcule des microsecondes de dynamique tous atomesDepuis : 1977 La première simulation de dynamique des protéines, par McCammon, Gelin et KarplusDans l’arbre des simulations: Dynamique des protéines

Amarrage moléculaire et liaison des médicaments

Des molécules candidates essayées dans la poche d’une protéine cible.

Question à laquelle elle répond: Parmi un million de molécules, lesquelles se fixeront sur cette cible ?

Laisse de côté : Les scores d’amarrage sont approximatifs ; la plupart des molécules censées se lier ne fonctionnent jamais en laboratoire.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui fait l’amarrage moléculaire de millions de molécules candidatesDepuis : 1982 DOCK, le premier programme automatisé d’amarrage moléculaire, de Kuntz et ses collègues

Membranes et canaux ioniques

La membrane lipidique d’une cellule et les canaux protéiques qui laissent passer les ions.

Question à laquelle elle répond: Comment une cellule nerveuse ouvre-t-elle et ferme-t-elle ses canaux ?

Laisse de côté : Les vrais canaux s’ouvrent et se ferment sur des millisecondes, bien plus longtemps que ce que la plupart des simulations atteignent.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster de GPU qui simule une bicouche lipidique et ses canauxDepuis : 1982 La dynamique d’une bicouche lipidique de van der Ploeg et Berendsen

Particules virales entières

Chaque atome d’une capside virale, parfois cent millions d’entre eux, simulé à la fois.

Question à laquelle elle répond: Comment le virus tient-il ensemble, et comment se défait-il à l’intérieur d’une cellule ?

Laisse de côté : Les simulations couvrent des nanosecondes à des microsecondes, bien moins qu’un vrai cycle d’infection.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif un supercalculateur national qui simule une coquille de cent millions d’atomesDepuis : 2006 La simulation d’un virus satellite de la mosaïque du tabac par Freddolino et Schulten

Repliement et structure de l’ARN

Un brin d’ARN comme une chaîne de bases qui s’apparient avec elles-mêmes et se replient en une forme tridimensionnelle précise, plutôt qu’en la double hélice rectiligne de l’ADN.

Question à laquelle elle répond: Comment un brin d’ARN prend-il la forme qui lui permet d’agir comme catalyseur ou comme interrupteur de régulation ?

Laisse de côté : Les structures prédites ont souvent besoin d’une correction expérimentale, et la fonction ne découle pas automatiquement de la forme.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui exécute un logiciel de repliement à énergie libreDepuis : 1981 L’algorithme de repliement d’ARN à énergie libre minimale de Zuker et Stiegler

Catalyse enzymatique

Le site actif d’une enzyme, son substrat et la protéine environnante, modélisés en mécanique quantique là où des liaisons se rompent et en mécanique classique partout ailleurs.

Question à laquelle elle répond: Comment cette enzyme accélère-t-elle une réaction d’un facteur un milliard ?

Laisse de côté : Seule une petite partie de la protéine reçoit le traitement quantique coûteux, et l’endroit où tracer cette limite est un choix de modélisation.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute des calculs quantiques et classiques combinésDepuis : 1976 Le modèle combiné quantique et classique d’une réaction enzymatique de Warshel et Levitt

Modèles à gros grains de l’ADN et de l’ARN

Chaque nucléotide est un corps rigide avec quelques sites d’interaction, ce qui permet de simuler le repliement, l’hybridation et les nanostructures.

Question à laquelle elle répond: Comment les brins s’apparient-ils, se replient-ils et s’assemblent-ils en structures conçues ?

Laisse de côté : Le détail atomique et les ions sont remplacés par des interactions effectives.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif Des millions de nucléotides sur GPUDepuis : 2011 oxDNA, a coarse-grained DNA model (2011) source

Prédiction de structure des protéines par apprentissage

Un réseau de neurones entraîné sur des structures connues et des données évolutives prédit la forme repliée d’une protéine à partir de sa séquence.

Question à laquelle elle répond: En quelle forme tridimensionnelle cette chaîne d’acides aminés se replie-t-elle ?

Laisse de côté : Il donne une structure statique, pas la voie de repliement ni la dynamique.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif Entraînement à grande échelle ; des minutes par prédictionDepuis : 2018 Improved protein structure prediction using potentials from deep learning (2020, CASP13 entry 2018) source

Ensembles génératifs de protéines

Un modèle génératif entraîné sur des structures et des simulations produit de nombreuses conformations d’une protéine plutôt qu’une seule forme.

Question à laquelle elle répond: Quelles autres formes une protéine peut-elle adopter ?

Laisse de côté : Les populations d’états ne valent que ce que valent les simulations d’entraînement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Entraînement plus échantillonnage peu coûteuxDepuis : 2024 AlphaFold meets flow matching for generating protein ensembles (2024) source

Dynamique moléculaire calculée par des volontaires

Des milliers de trajectoires courtes indépendantes d’une molécule exécutées sur des ordinateurs personnels donnés et combinées pour voir les événements de repliement.

Question à laquelle elle répond: De nombreuses courtes exécutions peuvent-elles ensemble révéler un processus moléculaire lent ?

Laisse de côté : Les trajectoires sont courtes et indépendantes, si bien qu’il faut raccorder les statistiques entre elles.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Ensemble de machines de volontairesDepuis : 2000 Screen savers of the world unite ! (2000), the distributed folding project source

Biochimie stochastique

Des réactions à l’intérieur d’une cellule déclenchées une à une au hasard, parce qu’il y a trop peu de molécules pour faire une moyenne.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi des cellules génétiquement identiques se comportent-elles différemment ?

Laisse de côté : Suppose en général que l’intérieur de la cellule est bien mélangé, ce qui est souvent faux.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui exécute une simulation stochastique de réactionsDepuis : 1977 L’algorithme de simulation stochastique exacte de Gillespie pour la cinétique chimique

Réseaux de régulation génique

Des gènes qui s’activent et s’éteignent mutuellement, comme un réseau d’interactions.

Question à laquelle elle répond: Comment une cellule décide-t-elle de quel type de cellule elle devient ?

Laisse de côté : La plupart des vrais réseaux de régulation ne sont connus qu’en partie, si bien que les liens sont souvent déduits.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui simule la dynamique d’un réseau de gènesDepuis : 1969 Les réseaux booléens aléatoires de régulation génétique de Kauffman

Réseaux métaboliques

Chaque réaction chimique qu’utilise une cellule pour transformer la nourriture en énergie et en matériaux, équilibrée comme un réseau de flux.

Question à laquelle elle répond: Quel gène faut-il désactiver pour que ce microbe produise plus d’un composé utile ?

Laisse de côté : Suppose un état stationnaire et un objectif optimal qu’une vraie cellule ne poursuit pas forcément.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui résout un modèle d’équilibre des flux à l’échelle du génomeDepuis : 1986 première analyse d’équilibre des flux du réseau métabolique d’une cellule

Modèles de cellule entière

Chaque gène et chaque classe de molécules d’une seule bactérie, suivis pendant un cycle de division complet.

Question à laquelle elle répond: Peut-on prédire une cellule vivante à partir de la liste de ses pièces ?

Laisse de côté : Une seule bactérie simple a jamais été modélisée aussi complètement.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute un cycle de division d’une bactérieDepuis : 2012 Le modèle de cellule entière de Mycoplasma genitalium de Karr et ses collègues

Formation de motifs

Des produits chimiques qui diffusent et réagissent à travers un tissu en croissance, le mécanisme qu’Alan Turing a proposé pour les rayures et les taches.

Question à laquelle elle répond: Comment les mécanismes de réaction-diffusion expliquent-ils les motifs du pelage animal et la formation des doigts dans un membre ?

Laisse de côté : Les vrais tissus utilisent des forces mécaniques et plus de signaux qu’un modèle à deux substances chimiques.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui résout des équations de réaction-diffusion sur une grilleDepuis : 1952 Les calculs de réaction-diffusion de Turing pour The Chemical Basis of MorphogenesisDans l’arbre des simulations: La réaction-diffusion de Turing

Lancer le modèle interactif

Croissance des tissus et des tumeurs

Des cellules individuelles qui se divisent, se déplacent, se disputent l’oxygène et meurent.

Question à laquelle elle répond: Comment une tumeur grandit-elle, et comment un calendrier de traitement pourrait-il l’arrêter ?

Laisse de côté : Les taux de division et de mort à l’intérieur d’une vraie tumeur sont difficiles à mesurer directement.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui suit des milliers de cellules individuelles en divisionDepuis : 1993 premiers modèles d’automates cellulaires de la croissance des tumeurs solides

Modèles de réponse des cellules aux perturbations

Un modèle entraîné sur des données de cellule unique prédit comment l’expression des gènes d’une cellule change après un médicament ou une modification génétique pour lesquels elle n’a pas été mesurée.

Question à laquelle elle répond: Que fera une cellule après une intervention que personne n’a encore essayée ?

Laisse de côté : Corrélationnel ; extrapole mal vers des types de cellules ou des médicaments éloignés des données d’entraînement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif De grands jeux d’entraînement de cellules uniquesDepuis : 2019 scGen predicts single-cell perturbation responses (2019) source

Modèles à base d’agents de l’évolution des tumeurs

Des cellules cancéreuses individuelles sur une grille se divisent, mutent et se font concurrence dans un microenvironnement changeant d’oxygène et d’acide.

Question à laquelle elle répond: Comment la forme d’une tumeur et ses traits agressifs émergent-ils de la pression de sélection ?

Laisse de côté : Les règles sont simplifiées, et l’apport sanguin et les cellules immunitaires sont souvent absents.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif Des millions de cellules sur un seul nœudDepuis : 2006 Tumor morphology and phenotypic evolution driven by selective pressure from the microenvironment (2006) source

Modèles métaboliques de communautés microbiennes

Les réseaux métaboliques à l’échelle du génome de plusieurs espèces sont réunis de sorte que les déchets de l’une deviennent la nourriture d’une autre.

Question à laquelle elle répond: Comment les microbes de l’intestin ou du sol partagent-ils les nutriments et se stabilisent-ils ensemble ?

Laisse de côté : Suppose un état stationnaire et une croissance optimale, en ignorant la régulation et l’espace.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif Programmation linéaire sur de nombreuses espècesDepuis : 2007 Metabolic modeling of a mutualistic microbial community (2007) source

Croissance tumorale et réponse au traitement

Une tumeur solide traitée comme une masse nourrie par de l’oxygène et des nutriments qui diffusent, avec une bordure proliférante croissante et un cœur nécrotique affamé, puis exposée à un rayonnement ou à des médicaments.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse une tumeur grandit-elle, et de combien une dose donnée la réduit-elle ?

Laisse de côté : Les vraies tumeurs varient d’un patient à l’autre et en leur sein. Le modèle utilise des paramètres moyennés et une géométrie simplifiée.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un modèle de réaction-diffusion à trois dimensions avec des calendriers de traitement sur des semaines de temps simulé.Depuis : 1972 Greenspan, modèles de croissance d’une tumeur solide par diffusion. source

Évolution du microenvironnement tumoral

Des cellules cancéreuses individuelles sur une grille se disputent l’oxygène et l’espace, tandis que des gradients d’acidité sélectionnent de nouveaux phénotypes, si bien que la tumeur évolue en grandissant.

Question à laquelle elle répond: Le tissu environnant pousse-t-il une tumeur vers des cellules plus invasives ?

Laisse de côté : Les règles cellulaires sont simplifiées et les paramètres sont difficiles à mesurer dans des tumeurs vivantes.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des exécutions hybrides agents-continuum sur des mois simulés, sur une station de travail ou un petit cluster.Depuis : 2006 Anderson et ses collègues, modèle hybride discret-continu de l’évolution phénotypique dictée par le microenvironnement. source

Croissance de vaisseaux sanguins induite par les tumeurs

Des cellules endothéliales bourgeonnent et migrent le long d’un gradient chimique libéré par une tumeur, et forment un réseau de vaisseaux ramifié qui la nourrit.

Question à laquelle elle répond: Comment une tumeur recrute-t-elle un apport sanguin, et que se passe-t-il si le signal est bloqué ?

Laisse de côté : L’écoulement dans les vaisseaux, le remodelage et la vraie chimie de la signalisation sont très simplifiés.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif calculs de bourgeonnement en deux ou trois dimensions sur un poste de travail.Depuis : 1998 Anderson et Chaplain, modèles continus et discrets de l’angiogenèse induite par une tumeur. source

Dynamique de la réponse et de la résistance aux médicaments contre le cancer

Des populations de cellules cancéreuses normales, sensibles et résistantes changent sous traitement médicamenteux, si bien qu’un patient s’améliore d’abord puis peut rechuter.

Question à laquelle elle répond: Combien de temps un médicament maîtrisera-t-il la maladie avant l’apparition d’une résistance ?

Laisse de côté : Seuls les compartiments mesurables sont modélisés, et le comportement des cellules souches est déduit.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif équations différentielles ordinaires ajustées sur des mesures sanguines de patients.Depuis : 2005 Michor et ses collègues, dynamique de la leucémie myéloïde chronique. source

Dynamique de production des cellules sanguines

Cellules souches, progéniteurs et cellules sanguines matures sont liés par une rétroaction avec délais, qui produit des numérations stables ou des oscillations quand la régulation échoue.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi certains troubles sanguins sont-ils cycliques, et qu’est-ce qui rétablit une production normale ?

Laisse de côté : La vraie moelle a une structure spatiale et de nombreux types de cellules qui sont regroupés.

Tourne sur : environ 10⁶ FLOPS approximatif des équations différentielles à retard sur un ordinateur portable.Depuis : 1978 Mackey, une hypothèse unifiée pour l’anémie aplasique et l’hématopoïèse périodique. source

Croissance des colonies bactériennes et biofilms

Chaque cellule bactérienne est simulée comme un individu avec sa propre taille, sa croissance et sa position, qui se nourrit d’un nutriment diffusant dans une colonie ou un biofilm.

Question à laquelle elle répond: Comment les colonies prennent-elles leur forme, et comment les cellules de l’intérieur survivent-elles ?

Laisse de côté : Le comportement des cellules est simplifié et la chimie de la vraie matrice de biofilm n’est pas saisie.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif croissance individu-centrée de millions de cellules sur un cluster.Depuis : 1998 Kreft, Booth et Wimpenny, BacSim, un simulateur pour la modélisation individu-centrée de la croissance de colonies bactériennes. source

Le cœur

Des ondes électriques à travers le muscle cardiaque, et la contraction et l’écoulement du sang qu’elles provoquent.

Question à laquelle elle répond: Ce médicament ou cet appareil aggravera-t-il un rythme cardiaque irrégulier ?

Laisse de côté : La variation individuelle entre de vrais cœurs reste difficile à saisir dans un seul modèle.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute un battement d’électromécanique du cœur entierDepuis : 1960 Le modèle informatique de Noble du potentiel d’action d’une seule cellule de fibre de Purkinje ; les modèles du cœur entier sont venus plus tard sourceDans l’arbre des simulations: Modèle de cellule cardiaque

Écoulement sanguin

Du sang qui circule dans les artères, les veines et des dispositifs comme les stents et les valves.

Question à laquelle elle répond: Où cette artère risque-t-elle de s’affaiblir ou de se boucher ?

Laisse de côté : Les parois des vaisseaux sont souvent traitées comme rigides, ce qui manque leur vraie élasticité.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute une simulation de l’écoulement dans une artère propre à un patientDepuis : 1989 Le modèle aux éléments finis de l’écoulement dans l’artère carotide de Perktold et ses collègues

Respiration et voies aériennes

De l’air qui circule dans les voies aériennes ramifiées, avec les particules qu’il transporte.

Question à laquelle elle répond: Où finissent les médicaments inhalés ou les polluants ?

Laisse de côté : La plupart des modèles utilisent un seul arbre bronchique idéalisé plutôt que celui d’une personne précise.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui simule l’écoulement de l’air dans un arbre bronchique ramifiéDepuis : 1993 premiers modèles de dynamique des fluides de l’écoulement de l’air dans l’arbre bronchique

Biomécanique musculosquelettique

Os, articulations et muscles comme un système mécanique lié, qui marche, soulève et chute.

Question à laquelle elle répond: Quels muscles encaissent l’effort, et quelle forme donner à cet implant ?

Laisse de côté : Les forces à l’intérieur d’un vrai membre sont estimées indirectement, pas mesurées.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui résout un modèle musculo-squelettique d’un mouvementDepuis : 1990 Les modèles informatiques du mouvement musculo-squelettique de Delp et ses collègues

Réponse immunitaire

Des cellules immunitaires et des pathogènes qui se rencontrent, se multiplient et échangent des signaux dans le corps.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi certaines infections guérissent-elles et d’autres deviennent-elles chroniques ?

Laisse de côté : La vraie signalisation immunitaire est bien plus complexe que ce qu’un modèle suit en entier.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute une simulation immunitaire à base d’agentsDepuis : 1992 Le modèle d’automate cellulaire de la réponse immunitaire de Celada et Seiden

Pharmacocinétique

Un médicament absorbé, réparti entre les compartiments de l’organisme, dégradé puis éliminé.

Question à laquelle elle répond: Quelle dose, à quelle fréquence, pour une personne de cet âge et de ce poids ?

Laisse de côté : Un modèle de moyenne de population peut passer à côté de la façon dont un patient en particulier traite un médicament.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif un poste de travail qui résout un modèle pharmacologique compartimentalDepuis : 1937 Le modèle à deux compartiments de distribution des médicaments de Teorell

Essais cliniques in silico

Des populations de patients virtuels avec une variation réaliste, à qui l’on donne un traitement avant ou en parallèle d’un vrai essai.

Question à laquelle elle répond: Qui ce traitement est-il susceptible d’aider, et qui pourrait-il nuire ?

Laisse de côté : Les autorités de réglementation exigent toujours de vrais essais en parallèle. Les patients virtuels ne peuvent pas les remplacer entièrement.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute des milliers de patients virtuelsDepuis : 2011 dès 2011, premiers essais in silico soumis avec les preuves pour un dispositif

Jumeaux numériques cardiaques

Des modèles de cœur ajustés aux examens et aux signaux d’un patient, et utilisés pour prédire comment ce cœur réagit à un traitement.

Question à laquelle elle répond: Comment le cœur de ce patient réagira-t-il à un traitement particulier ?

Laisse de côté : La qualité de l’ajustement dépend des données d’imagerie, et les propriétés des tissus sont déduites.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif Simulations électromécaniques personnalisées plus ajustementDepuis : 2020 The 'Digital Twin' to enable the vision of precision cardiology (2020) source

Modèles prédictifs neuronaux des aires cérébrales sensorielles

Un réseau de neurones entraîné sur des réponses enregistrées devient le substitut d’une aire cérébrale, ce qui permet aux chercheurs de tester in silico les stimuli qui excitent le plus les neurones.

Question à laquelle elle répond: Quel stimulus excite le plus fortement un neurone donné ?

Laisse de côté : Les prédictions doivent être vérifiées sur le tissu réel et ne couvrent que les animaux testés.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Entraînement sur des enregistrements, puis essais virtuels illimitésDepuis : 2019 Inception loops discover what excites neurons most using deep predictive models (2019) source

Modèles de champs de stimulation cérébrale

Des modèles de tête par éléments finis tracent comment le courant des électrodes ou des bobines se répand à travers le cuir chevelu, le crâne et le tissu cérébral.

Question à laquelle elle répond: Où dans le cerveau le champ électrique d’un stimulateur arrive-t-il ?

Laisse de côté : Les conductivités des tissus sont incertaines, et la réponse neuronale n’est pas simulée.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif Résolutions par éléments finis sur des maillages de têtes individuellesDepuis : 2009 Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation (2009) source

Modèles d’exposition aux médicaments sur populations virtuelles

Modèles de transport de médicaments dans tout le corps, exécutés sur une population synthétique qui varie par l’âge, les gènes et la fonction des organes.

Question à laquelle elle répond: De combien les concentrations de médicament diffèrent-elles chez les enfants, les personnes âgées et les patients atteints d’une maladie d’organe ?

Laisse de côté : Dépend de données mesurées sur les enzymes et les transporteurs.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif Des milliers de sujets virtuels sur un poste de travailDepuis : 2009 The Simcyp population-based ADME simulator (2009) source

Modèles de communautés du microbiote intestinal

Des dizaines d’espèces bactériennes de l’intestin interagissent par la compétition et l’alimentation croisée, leurs abondances étant suivies dans le temps sous perturbation par le régime ou les antibiotiques.

Question à laquelle elle répond: Quelles espèces restent stables dans un intestin, et quelle perturbation peut faire basculer la communauté ?

Laisse de côté : Les intensités d’interaction sont déduites de données bruitées et peuvent ne pas tenir hors des conditions échantillonnées.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif ajustement de Lotka-Volterra généralisé et simulation métabolique de communauté sur un poste de travail.Depuis : 2013 Stein et ses collègues, modélisation écologique par inférence à partir de séries temporelles du microbiote intestinal. source

Planification chirurgicale avec des modèles propres au patient

Un scanner devient un modèle anatomique personnel, une option chirurgicale y est appliquée virtuellement, et l’écoulement ou la contrainte sont calculés pour comparer les résultats avant d’opérer.

Question à laquelle elle répond: Quelle option chirurgicale donne à ce patient le meilleur résultat ?

Laisse de côté : Les propriétés des tissus sont supposées à partir de moyennes et la cicatrisation après la chirurgie n’est pas modélisée.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif une résolution d’écoulement ou de contrainte par plan candidat, des heures sur un cluster.Depuis : 1999 Taylor et ses collègues, médecine prédictive par des techniques de calcul pour la décision thérapeutique. source

Interaction fluide-structure des valves cardiaques

Un clapet de valve souple et le sang qui l’entoure sont calculés ensemble : le clapet est ouvert puis claqué par l’écoulement qu’il contrôle.

Question à laquelle elle répond: Comment une valve s’ouvre-t-elle et se ferme-t-elle, et comment une valve de remplacement change-t-elle l’écoulement ?

Laisse de côté : Les propriétés des matériaux des feuillets et le mouvement du muscle environnant sont simplifiés.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif des résolutions de fluides à frontière mobile sur un cluster.Depuis : 1972 Peskin, les motifs d’écoulement autour des valves cardiaques, introduction de la méthode de la frontière immergée. source

Adaptation osseuse et remodelage autour des implants

Des modèles d’os par éléments finis où du tissu est ajouté là où la contrainte est forte et retiré là où elle est faible, sur des mois et des années.

Question à laquelle elle répond: Comment l’os va-t-il évoluer autour d’un implant au fil du temps ?

Laisse de côté : La règle de remodelage est une loi phénoménologique et varie d’un patient à l’autre.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif des résolutions itératives par éléments finis sur une station de travail.Depuis : 1987 Huiskes et ses collègues, la théorie du remodelage osseux adaptatif appliquée à la conception de prothèses. source

Modèles musculosquelettiques pour la chirurgie

Os, articulations et actionneurs muscle-tendon de la jambe ou du bras modélisés pour qu’une modification chirurgicale, comme un transfert de tendon, puisse être testée sur son effet sur le mouvement.

Question à laquelle elle répond: Transférer ce tendon améliorera-t-il la marche du patient ?

Laisse de côté : L’activation musculaire est estimée, pas mesurée, et le contrôle nerveux n’est pas modélisé.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif dynamique inverse et optimisation musculaire sur un ordinateur portable.Depuis : 1990 Delp et ses collègues, un modèle graphique interactif du membre inférieur pour étudier la chirurgie orthopédique. source

Calcul de dose en radiothérapie

Des photons ou des protons suivis à travers un examen d’un patient par transport Monte Carlo pour calculer la dose de rayonnement reçue par une tumeur et par les tissus sains.

Question à laquelle elle répond: Le faisceau prévu délivre-t-il la dose à la tumeur en épargnant les organes voisins ?

Laisse de côté : L’examen est un instantané, si bien que le mouvement du patient et les changements d’anatomie pendant le traitement sont approximés.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif des millions à des milliards d’historiques par plan sur un cluster ou un GPU.Depuis : 1988 Mackie et ses collègues, noyaux de dépôt d’énergie des photons générés avec le code Monte Carlo EGS. source

Fantômes anatomiques virtuels pour l’imagerie

Des corps humains numériques avec des organes détaillés et un mouvement de battement ou de respiration, servant de sujets à des examens simulés pour que les méthodes d’imagerie puissent être testées face à une vérité connue.

Question à laquelle elle répond: Ce scanner et cet algorithme peuvent-ils retrouver une anomalie connue ?

Laisse de côté : Le fantôme est un modèle de forme ajusté sur quelques sujets et ne couvre pas toute la gamme des anatomies.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif une simulation de lancer de rayons ou de transport par examen sur une station de travail.Depuis : 2010 Segars et ses collègues, le fantôme 4D XCAT pour la recherche en imagerie multimodale. source

Simulation d’images par résonance magnétique

La physique des spins nucléaires dans un champ magnétique est simulée par une séquence d’impulsions pour produire des examens synthétiques d’un corps virtuel.

Question à laquelle elle répond: Quelle image cette séquence produirait-elle pour ce tissu ?

Laisse de côté : Les valeurs de relaxation des tissus sont des moyennes, et le mouvement et les imperfections du matériel ne sont modélisés qu’en partie.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif La simulation des équations de Bloch d’un volume complet sur un GPU.Depuis : 2005 Benoit-Cattin et ses collègues, le simulateur interactif d’IRM SIMRI. source

Simulation de la consolidation des fractures

La contrainte mécanique dans l’interstice de cicatrisation d’un os cassé décide si le tissu se forme en cartilage, en os neuf ou en cicatrice fibreuse.

Question à laquelle elle répond: Cette fixation de fracture permettra-t-elle à l’os de guérir ?

Laisse de côté : La règle de différenciation des tissus est empirique et l’apport sanguin est simplifié.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif des résolutions par éléments finis sur des semaines simulées sur un poste de travail.Depuis : 1999 Claes et Heigele, contraintes et déformations locales le long des surfaces osseuses qui prédisent le cours et le type de consolidation d’une fracture. source

Dynamique des virus dans l’hôte

Le virus libre, les cellules infectées et les cellules cibles d’un même patient sont suivis, et leur évolution après le début du traitement révèle à quelle vitesse le virus est produit et éliminé.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse le virus se réplique-t-il dans une personne, et que change le traitement ?

Laisse de côté : La structure des tissus et les foyers d’infection autres que le sang ne sont pas représentés.

Tourne sur : environ 10⁷ FLOPS approximatif quelques équations différentielles couplées ajustées sur une série temporelle de patient.Depuis : 1996 Perelson et ses collègues, dynamique du VIH-1 in vivo. source

Réserve de flux coronaire à partir d’examens d’imagerie

L’écoulement du sang dans les artères coronaires est calculé à partir d’un scanner du cœur pour estimer si un rétrécissement gêne assez le flux pour nécessiter un stent.

Question à laquelle elle répond: Ce rétrécissement suffit-il à priver le muscle cardiaque de sang ?

Laisse de côté : Les conditions aux limites au niveau des petits vaisseaux sont estimées à partir du patient plutôt que mesurées.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif une résolution d’écoulement propre au patient par examen sur un cluster.Depuis : 2013 Taylor et ses collègues, la CFD appliquée au scanner cardiaque pour la quantification non invasive de la réserve de flux fractionnaire. source

Mécanique cochléaire

Les ondes sonores du fluide de l’oreille interne sont couplées à la membrane vibrante de la cochlée, ce qui engendre l’onde progressive qui trie les hauteurs.

Question à laquelle elle répond: Comment l’oreille transforme-t-elle le son en un signal codé par la position ?

Laisse de côté : L’amplification active par les cellules ciliées est représentée par une rétroaction approximée.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif des résolutions aux différences finies du fluide cochléaire sur un poste de travail.Depuis : 1981 Neely, une solution aux différences finies d’un modèle bidimensionnel de la cochlée. source

Physiologie intégrative du corps entier

La pression artérielle, le rein, l’équilibre hydrique et les hormones sont reliés en un seul modèle de la circulation et de sa régulation.

Question à laquelle elle répond: Comment le corps régule-t-il la tension artérielle, et que se passe-t-il quand un organe lâche ?

Laisse de côté : Chaque organe est un compartiment homogène unique et le détail cellulaire est absent.

Tourne sur : environ 10⁶ FLOPS approximatif des centaines d’équations différentielles sur un ordinateur portable.Depuis : 1972 Guyton, Coleman et Granger, circulation : régulation d’ensemble. source

Transfert de chaleur biologique et hyperthermie

La conduction de la chaleur dans un tissu où le flux sanguin emporte la chaleur, pour prédire la température pendant une fièvre, un stress thermique ou un traitement du cancer par la chaleur.

Question à laquelle elle répond: À quel point le tissu chauffe-t-il, et jusqu’à quelle profondeur la chaleur pénètre-t-elle ?

Laisse de côté : La perfusion sanguine est traitée comme un puits de chaleur uniforme.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif des résolutions thermiques par éléments finis sur un poste de travail.Depuis : 1948 Pennes, analyse des températures du tissu et du sang artériel dans l’avant-bras humain au repos. source

Modèles de transport dans le néphron du rein

Eau, sel et urée qui circulent dans les anses et les tubules du rein, résolus comme des écoulements couplés pour montrer comment l’urine se concentre.

Question à laquelle elle répond: Comment la disposition à contre-courant des tubules permet-elle au rein de concentrer l’urine ?

Laisse de côté : Les propriétés des tubules et leur disposition en trois dimensions sont mesurées chez peu d’espèces, si bien que les paramètres sont extrapolés à partir d’animaux.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif de quelques minutes à quelques heures sur une station de travail.Depuis : 1966 L’analyse de Stephenson sur la concentration dans les systèmes rénaux à contre-courant. source

Modèles des cordes vocales et de la production de la voix

Les cordes vocales comme des masses sur des ressorts entraînées par l’air des poumons, couplées à la forme de la gorge et de la bouche, pour produire le son voisé.

Question à laquelle elle répond: Quels réglages physiques des cordes vocales donnent une voix claire, soufflée ou rauque ?

Laisse de côté : Les plis sont réduits à quelques masses, si bien que les couches de tissu et l’écoulement d’air complet en trois dimensions ne sont pas pris en compte.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif de quelques secondes à quelques minutes par phrase de son voisé.Depuis : 1972 Le modèle à deux masses des cordes vocales d’Ishizaka et Flanagan pour synthétiser les sons voisés. source

Modèles d’horloge circadienne

Des oscillateurs couplés qui représentent l’horloge biologique réagissent à la lumière et au moment du repos, et prédisent comment le sommeil et la vigilance évoluent quand l’emploi du temps ou les voyages changent.

Question à laquelle elle répond: Combien de temps l’horloge biologique met-elle à s’ajuster après un vol ou un changement d’équipe ?

Laisse de côté : Quelques oscillateurs représentent tout un réseau de neurones, et les gens diffèrent beaucoup par la période de leur horloge et leur sensibilité à la lumière.

Tourne sur : environ 10⁵ FLOPS approximatif des secondes sur un ordinateur portable.Depuis : 1982 Le modèle mathématique du système circadien humain à deux oscillateurs en interaction, de Kronauer et ses collègues. source

Modèles épidémiques compartimentaux

Une population divisée en sensibles, infectés et guéris, avec des taux qui circulent entre ces groupes.

Question à laquelle elle répond: Quelle ampleur cette épidémie va-t-elle prendre, et quand atteindra-t-elle son pic ?

Laisse de côté : Suppose un mélange homogène, où chaque personne rencontre chaque autre au même rythme, ce que les vrais schémas de contacts ne respectent pas.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif un ordinateur portable qui résout une poignée d’équations épidémiques coupléesDepuis : 1927 Les équations de Kermack et McKendrick pour une épidémie fermée

Lancer le modèle interactif

Épidémies à base d’agents

Une population synthétique de toute une ville ou de tout un pays, chaque personne ayant un foyer, une école ou un lieu de travail, et des contacts par lesquels la maladie se propage.

Question à laquelle elle répond: Quelles mesures ralentissent le plus la propagation, au moindre coût ?

Laisse de côté : Exige des données détaillées sur les ménages, les écoles et les lieux de travail que de nombreux pays n’ont pas.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui simule une population synthétique à l’échelle d’un paysDepuis : 2005 Les modèles multi-agents de pandémie de grippe de Longini, Ferguson et leurs collègues

Lancer le modèle interactif

Évolution des pathogènes

Des mutations qui apparaissent et se répandent dans un virus ou une bactérie au fil de son passage d’un hôte à l’autre.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse la résistance à ce médicament pourrait-elle évoluer ?

Laisse de côté : Les vrais paysages de mutation et d’aptitude sont bien plus complexes qu’une poignée de loci.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui simule l’évolution de la résistance aux médicamentsDepuis : 1990 premiers modèles stochastiques de l’évolution de la résistance aux médicaments dans le VIH

Modélisation du fardeau des maladies et de l’économie de la santé

Une maladie et ses traitements suivis sous forme de probabilités de maladie, d’invalidité, de coût et de décès, pour comparer quelles interventions de santé font le plus de bien par livre sterling dépensée.

Question à laquelle elle répond: Quel traitement ou programme donne le plus d’années de vie en bonne santé pour l’argent investi ?

Laisse de côté : Attribuer un nombre à une année de vie ou de souffrance est un jugement de valeur présenté comme de l’arithmétique.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif un poste de travail qui exécute un modèle coût-efficacité de cohorteDepuis : 1993 l’étude mondiale de la Banque mondiale sur la charge de morbidité en années de vie ajustées sur l’incapacité

Épidémiologie génomique des épidémies

Des génomes de pathogènes échantillonnés pendant une épidémie, utilisés pour construire un arbre généalogique des infections et déduire qui a le plus probablement infecté qui et à quelle vitesse elle progresse.

Question à laquelle elle répond: Comment cette épidémie se propage-t-elle vraiment, au-delà de ce que le seul traçage des contacts peut voir ?

Laisse de côté : Seuls les cas séquencés apparaissent dans l’arbre, si bien qu’un échantillon maigre ou biaisé peut induire en erreur.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui construit des arbres à partir de milliers de génomesDepuis : 2013 suivi génomique en temps réel d’une épidémie d’Ebola en Afrique de l’Ouest

Évaluation des risques d’exposition environnementale et chimique

Comment l’exposition d’une population à un polluant, à un contaminant alimentaire ou à une dose de radiation se traduit en probabilité de dommage, sur toute la plage d’incertitude des données.

Question à laquelle elle répond: Quelle quantité de ce produit chimique est sans danger pour l’exposition d’une population entière ?

Laisse de côté : Extrapoler de fortes doses d’essai chez l’animal à de faibles doses chez l’humain reste un jugement délicat.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif un poste de travail qui exécute un modèle Monte Carlo dose-réponseDepuis : 1983 le cadre du US National Research Council pour l’évaluation des risques chimiques

Modèles épidémiques de réseaux de mobilité

Une maladie dont la propagation est simulée sur un réseau mondial de villes reliées par des données de déplacements domicile-travail et de transport aérien.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse une épidémie atteindra-t-elle d’autres régions et d’autres pays ?

Laisse de côté : Le mélange à l’intérieur de chaque ville est simplifié, et le changement de comportement n’est pas modélisé.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif Calculs stochastiques sur des milliers de sous-populationsDepuis : 2009 Multiscale mobility networks and the spatial spreading of infectious diseases (2009) source

Modèles individu-centrés du paludisme

Des personnes, des moustiques et des parasites simulés suivent l’infection intra-hôte et la transmission pour tester des stratégies de lutte.

Question à laquelle elle répond: Quel mélange de moustiquaires, de médicaments et de vaccins réduirait la transmission du paludisme ?

Laisse de côté : L’écologie des moustiques et les systèmes de santé locaux sont modélisés grossièrement.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif De nombreuses simulations stochastiques d’un village simuléDepuis : 2008 Towards a comprehensive simulation model of malaria epidemiology and control (2008) source

Pôles de modélisation de scénarios

Plusieurs équipes de modélisation exécutent les mêmes hypothèses de type « et si » sur les vaccins ou les variants, et les projections sont combinées en un seul ensemble.

Question à laquelle elle répond: Quelle gamme de futurs découle de chaque hypothèse de politique ou de variant ?

Laisse de côté : Les scénarios sont conditionnels, pas des prédictions de ce qui va arriver.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif Ensemble multi-équipes de modèles épidémiquesDepuis : 2020 US COVID-19 Scenario Modeling Hub, à partir de décembre 2020 source

Modèles numériques de traçage des contacts

Des modèles de transmission avec une étape de traçage par application estiment à quelle vitesse il faut tracer et isoler pour stopper la propagation.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse faut-il tracer les contacts pour maîtriser une épidémie ?

Laisse de côté : L’adoption et le respect des consignes sont des valeurs supposées.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif Exécutions de processus de branchement ou d’agentsDepuis : 2020 Quantifying SARS-CoV-2 transmission suggests epidemic control with digital contact tracing (2020) source

Propagation de la résistance aux antimicrobiens

Des bactéries sensibles et résistantes se font concurrence chez les patients et se propagent entre eux sous différentes politiques d’antibiotiques, comme l’alternance, le mélange ou le traitement combiné.

Question à laquelle elle répond: Quelle politique de traitement ralentit la progression des infections résistantes ?

Laisse de côté : Les coûts de la résistance et les taux de transmission sont mal mesurés, et les résultats en dépendent.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif des modèles hospitaliers compartimentaux et individu-centrés sur un ordinateur portable.Depuis : 1997 Bonhoeffer, Lipsitch et Levin, évaluation de protocoles de traitement pour prévenir la résistance aux antibiotiques. source

Modèles de transmission du paludisme et d’interventions

La piqûre des moustiques, le développement du parasite, l’immunité humaine et des interventions comme les moustiquaires ou les vaccins sont simulés ensemble dans un village ou un pays.

Question à laquelle elle répond: Quelle combinaison de mesures peut réduire ou éliminer le paludisme ?

Laisse de côté : L’écologie des moustiques et le comportement humain local sont mal mesurés.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif simulation individu-centrée d’un pays sur des décennies sur un cluster.Depuis : 2008 Smith et ses collègues, vers un modèle de simulation complet de l’épidémiologie et du contrôle du paludisme. source

Simulation de la transmission aéroportée en intérieur

Respirer, tousser et parler libèrent des gouttelettes et des aérosols dans une pièce, et la dynamique des fluides suit où ils vont et combien en inhale une deuxième personne.

Question à laquelle elle répond: Jusqu’où le virus exhalé voyage-t-il, et de combien les masques ou la ventilation réduisent-ils l’exposition ?

Laisse de côté : La dose infectante et les conditions réelles d’une pièce varient bien plus que ce que suppose n’importe quel montage de simulation.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif simulation aux grandes échelles d’une pièce avec suivi de particules sur un cluster.Depuis : 2020 Mittal, Ni et Seo, la physique des écoulements de la COVID-19, une revue des études numériques des écoulements respiratoires. source

Simulation de politiques de lutte antitabac

Les débuts, les arrêts et les décès liés au tabac dans un pays sont projetés selon les taxes, les interdictions et les campagnes, ce qui donne l’évolution de la prévalence et les vies sauvées.

Question à laquelle elle répond: Combien de vies une taxe ou une interdiction de fumer sauverait-elle ?

Laisse de côté : Les effets des politiques sont tirés de données passées et peuvent ne pas se transposer à de nouveaux contextes.

Tourne sur : environ 10⁶ FLOPS approximatif modèle de projection démographique sur un ordinateur portable.Depuis : 2000 Levy, Cummings et Hyland, une simulation des effets des politiques d’initiation des jeunes sur la consommation globale de cigarettes. source

Optimisation de l’allocation des vaccins

Un modèle épidémique est combiné à un optimiseur qui choisit quels groupes d’âge ou de risque reçoivent en premier un vaccin rare.

Question à laquelle elle répond: Qui faut-il vacciner en premier pour sauver le plus de vies ?

Laisse de côté : Les schémas de contacts et l’efficacité du vaccin sont incertains, et le meilleur groupe dépend de l’objectif.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif optimisation sur de nombreuses simulations épidémiques sur une station de travail.Depuis : 2009 Medlock et Galvani, optimisation de la distribution du vaccin contre la grippe. source

Essais d’imagerie virtuels

Des patients, des scanners et des lecteurs simulés servent à comparer des technologies d’imagerie sans recruter de vraies personnes.

Question à laquelle elle répond: Un nouvel appareil d’imagerie trouve-t-il les cancers aussi bien que l’actuel ?

Laisse de côté : Les lésions et les lecteurs virtuels sont des modèles qui peuvent manquer la vraie variété clinique.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif des milliers d’images simulées sur une grappe.Depuis : 2018 Badano et ses collègues, essai d’imagerie in silico de la tomosynthèse mammaire numérique face à la mammographie plein champ. source

Épidémies sur des réseaux de contacts

Une maladie se propage entre les nœuds d’un réseau dont la distribution des degrés peut être très inégale, et l’issue dépend des pôles très connectés.

Question à laquelle elle répond: À partir de quelle transmissibilité une épidémie décolle-t-elle sur un réseau à pôles très connectés ?

Laisse de côté : Les vrais réseaux de contacts changent avec le temps et ne sont observés qu’en partie.

Tourne sur : environ 10⁷ FLOPS approximatif propagation Monte Carlo sur des réseaux de millions de nœuds sur une station de travail.Depuis : 2001 Pastor-Satorras et Vespignani, propagation épidémique dans les réseaux sans échelle. source

Dynamique des populations de moustiques

Œufs, larves, nymphes et adultes d’un moustique porteur de maladie se développent dans des récipients sous la température et les pluies locales, ce qui donne le nombre de piqûres.

Question à laquelle elle répond: Combien de moustiques y aura-t-il la saison prochaine, et que change la suppression des gîtes larvaires ?

Laisse de côté : Les gîtes larvaires sont difficiles à compter et varient d’une rue à l’autre.

Tourne sur : environ 10⁷ FLOPS approximatif simulation de tables de mortalité sur un ordinateur portable.Depuis : 1993 Focks et ses collègues, un modèle dynamique de table de survie pour Aedes aegypti. source

Microsimulation du dépistage du cancer

Des histoires de vie individuelles, avec l’évolution naturelle du cancer, sont simulées avec et sans dépistage pour estimer les cas détectés et les décès évités.

Question à laquelle elle répond: Combien de décès un programme de dépistage évite-t-il, et à quel prix en surdiagnostic ?

Laisse de côté : L’évolution précoce du cancer, qu’on n’observe pas, doit être supposée.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif des millions de vies simulées sur une station de travail.Depuis : 1985 Habbema et ses collègues, le programme de simulation MISCAN pour l’évaluation du dépistage. source

Modèles multi-agents de l’obésité et de l’alimentation

Des agents avec un poids, un revenu et des voisins mangent et se déplacent, et la répartition du poids corporel dans la population change selon le prix de la nourriture ou les politiques.

Question à laquelle elle répond: Quelles interventions infléchissent le poids d’une population sur des décennies ?

Laisse de côté : Le comportement est réduit à quelques règles et les preuves de long terme sont minces.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif simulation multi-agents d’une population sur une station de travail.Depuis : 2007 Hammond et Epstein, exploration de mécanismes indépendants des prix dans l’épidémie d’obésité. source

Simulation de politique d’attribution d’organes

Des patients sur une liste d’attente de greffe, des organes de donneurs qui arrivent et des règles d’attribution sont simulés pour comparer le temps d’attente et la survie.

Question à laquelle elle répond: Quelle règle d’allocation donne le plus d’années de vie et l’attente la plus équitable ?

Laisse de côté : La qualité des organes et les décisions des patients et des centres sont simplifiées.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif une simulation à événements de plusieurs années de listes d’attente sur un ordinateur portable.Depuis : 2000 Zenios, Chertow et Wein, allocation dynamique de reins aux candidats de la liste d’attente de greffe. source

Modèles de déploiement des ambulances et des casernes de pompiers

Les appels d’urgence arrivent au hasard, les unités sont envoyées, et un modèle de files d’attente donne les temps de réponse pour chaque emplacement et chaque découpage de district.

Question à laquelle elle répond: Où faut-il placer stations et unités pour réduire le temps d’intervention ?

Laisse de côté : Les temps de trajet et la vraie dispersion de la demande sont supposés.

Tourne sur : environ 10⁷ FLOPS approximatif files d’attente et Monte Carlo sur un ordinateur portable.Depuis : 1974 Larson, un modèle de files d’attente en hypercube pour la localisation d’installations et le redécoupage des services d’urgence urbains. source

Génération de dossiers patients synthétiques

Des personnes artificielles reçoivent maladies, traitements et consultations à partir de règles cliniques publiées, pour produire des dossiers de santé réalistes qui ne contiennent aucune vraie personne.

Question à laquelle elle répond: Peut-on tester logiciels et analyses sur des dossiers réalistes sans exposer les données de personne ?

Laisse de côté : Les dossiers ne portent que les motifs introduits dans le générateur, si bien que les maladies rares et les vrais parcours de soins sont faiblement représentés.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif une exécution à l’échelle d’un ordinateur portable pour un million de patients.Depuis : 2010 L’approche fondée sur les données de Buczak et ses collègues pour créer des dossiers médicaux électroniques synthétiques. source

Toxicologie prédictive

La structure d’un médicament candidat comparée à des bases de données de molécules toxiques connues, ou passée dans des modèles entraînés sur des données de laboratoire et animales, avant même d’être synthétisée.

Question à laquelle elle répond: Cette molécule risque-t-elle d’abîmer le foie, le cœur ou les gènes avant même qu’on la fabrique ?

Laisse de côté : Les prédictions ne valent que ce que valent les molécules toxiques passées sur lesquelles le modèle a été entraîné, et des exceptions biologiques continuent d’apparaître.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute un modèle entraîné de prédiction de toxicitéDepuis : 2000 premiers modèles de relation structure-activité utilisés pour cribler la toxicité des médicaments

Modélisation pharmacodynamique

Comment la concentration d’un médicament au niveau de sa cible se traduit en effet sur le corps, de la liaison au récepteur jusqu’à un symptôme ou un biomarqueur mesuré.

Question à laquelle elle répond: Quel effet une dose donnée produira-t-elle réellement, et pendant combien de temps ?

Laisse de côté : Suppose une relation concentration-effet nette que la tolérance et la progression de la maladie peuvent perturber.

Tourne sur : environ 10¹⁰ FLOPS approximatif un poste de travail qui résout une poignée d’équations d’effets coupléesDepuis : 1968 premiers modèles d’occupation des récepteurs reliant la concentration d’un médicament à son effet

Simulation de conception d’essais cliniques

Des milliers d’essais hypothétiques menés sur une variation supposée des patients et des effets des médicaments, pour choisir la taille d’un essai, sa durée et ses règles d’arrêt anticipé.

Question à laquelle elle répond: De combien de patients cet essai a-t-il réellement besoin, et quand peut-on l’arrêter sans danger ?

Laisse de côté : L’essai simulé n’est réaliste que dans la mesure des hypothèses sur la réponse des patients qu’on lui fournit.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un petit cluster qui exécute des milliers de répétitions d’essais simuléesDepuis : 1994 premières études de simulation utilisées pour planifier des essais cliniques adaptatifs

Modèles de réseaux de réaffectation de médicaments

Des médicaments, des gènes, des protéines et des maladies reliés en un seul grand réseau, dans lequel on cherche des médicaments existants dont les liens connus suggèrent un nouvel usage inattendu.

Question à laquelle elle répond: Un médicament déjà approuvé pour une maladie pourrait-il en traiter aussi une autre ?

Laisse de côté : Un lien dans un réseau est un indice, pas une preuve ; la plupart des réaffectations suggérées échouent quand on les teste.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un poste de travail qui explore un vaste réseau médicament-gène-maladieDepuis : 2011 premiers criblages en réseau de candidats à la réaffectation de médicaments

Modélisation de la formulation et de l’administration des médicaments

Un comprimé qui se dissout, un patch qui libère ou une nanoparticule qui transporte un médicament dans le corps, suivis comme diffusion et réaction sur des minutes à des jours.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse et où ce médicament atteint-il réellement sa cible une fois avalé ou injecté ?

Laisse de côté : Les bancs de dissolution de laboratoire et la vraie digestion ne concordent pas toujours.

Tourne sur : environ 10¹¹ FLOPS approximatif un poste de travail qui résout des équations de diffusion et de libérationDepuis : 1961 Le modèle mathématique de Higuchi pour la libération d’un médicament à partir d’une matrice solide

Conception d’antigènes vaccinaux

La surface d’une protéine de pathogène simulée au niveau atomique pour trouver ou concevoir les formes que le système immunitaire reconnaîtra et mémorisera le mieux.

Question à laquelle elle répond: Quelle partie de ce pathogène est la meilleure cible pour un vaccin ?

Laisse de côté : Une forme qui semble une bonne cible à l’écran doit encore fonctionner dans un vrai système immunitaire.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire qui exécute des simulations atomiques d’antigènes candidatsDepuis : 2013 conception, à partir de la structure, d’un antigène stabilisé d’un virus respiratoire

Contrôle du diabète en boucle fermée in silico

Une population de personnes virtuelles atteintes de diabète de type 1, avec repas et dynamique glucose-insuline, utilisée pour tester des algorithmes de contrôle de l’administration avant les essais sur l’humain.

Question à laquelle elle répond: Cet algorithme de contrôle garderait-il la glycémie sûre chez de nombreuses personnes différentes ?

Laisse de côté : Les comportements réels comme le stress, la maladie et les défauts de capteurs ne sont que partiellement saisis.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif de longues simulations de jours virtuels pour des centaines de sujets sur un ordinateur portable.Depuis : 2009 Kovatchev et ses collègues, essais précliniques in silico du contrôle en boucle fermée du diabète de type 1. source