Controluce - Figure per descrivere
pensare elementi
autore:
affiliazione:
Department of Computer Science,
California Institute of Technology,
Pasadena (CA)
L'immagine
Fronti d'onda con rientro
Mentre le onde elettromagnetiche si propagano in linea retta, altri tipi di propagazione ondosa (onde acustiche, termodinamiche, e soprattutto chimiche e bioelettriche) possono avere andamenti non lineari, in cui l’onda va a interferire sulla propria origine, come avviene per esempio nei "fenomeni di rientro" tipici delle aritmie cardiache rappresentati nelle figure.
I tessuti del muscolo cardiaco, come anche quelli nervosi, sono costituiti da cellule in cui la differenza di potenziale che si determina sulla membrana cellulare (per la differenza di carica elettrica l’ambiente esterno e l’ambiente interno) oscilla ritmicamente tra un potenziale di azione e uno di riposo.
Uno stimolo elettrico che origina nel nodo seno-atriale eccita le cellule dei tessuti immediatamente circostanti, le quali passano l'eccitazione alle cellule vicine, entrando subito dopo in uno stato di riposo che le prepara alla prossima eccitazione: in questo modo l'onda eccitatoria che determina il battito cardiaco si propaga a tutto il miocardio.
Nelle aritmie cardiache, invece di propagarsi in modo rettilineo, l'onda gira su se stessa e ''rientra'' nella regione di tessuto appena stimolata. Questa eccitazione anticipata è all’origine di diversi tipi di tachicardia. Se l'onda si rompe e i suoi frammenti serpeggiano irregolarmente nel tessuto cardiaco provocando contrazioni asincrone, la tachicardia può degenerare in fibrillazione.
Le immagini visualizzano il prodursi di fenomeni di rientro sottoforma di onde a spirale 2D e vortici 3D (questi ultimi vengono anche chiamati scroll). Le sequenze contenute nelle immagini associate mostrano la genesi dei fronti d’onda e dei connessi fenomeni di rientro.
I tessuti del muscolo cardiaco, come anche quelli nervosi, sono costituiti da cellule in cui la differenza di potenziale che si determina sulla membrana cellulare (per la differenza di carica elettrica l’ambiente esterno e l’ambiente interno) oscilla ritmicamente tra un potenziale di azione e uno di riposo.
Uno stimolo elettrico che origina nel nodo seno-atriale eccita le cellule dei tessuti immediatamente circostanti, le quali passano l'eccitazione alle cellule vicine, entrando subito dopo in uno stato di riposo che le prepara alla prossima eccitazione: in questo modo l'onda eccitatoria che determina il battito cardiaco si propaga a tutto il miocardio.
Nelle aritmie cardiache, invece di propagarsi in modo rettilineo, l'onda gira su se stessa e ''rientra'' nella regione di tessuto appena stimolata. Questa eccitazione anticipata è all’origine di diversi tipi di tachicardia. Se l'onda si rompe e i suoi frammenti serpeggiano irregolarmente nel tessuto cardiaco provocando contrazioni asincrone, la tachicardia può degenerare in fibrillazione.
Le immagini visualizzano il prodursi di fenomeni di rientro sottoforma di onde a spirale 2D e vortici 3D (questi ultimi vengono anche chiamati scroll). Le sequenze contenute nelle immagini associate mostrano la genesi dei fronti d’onda e dei connessi fenomeni di rientro.
La tecnica
Simulazione di mezzo eccitabile (con PDE)
I mezzi eccitabili (più spesso in inglese, excitable media) sono sistemi dinamici i cui elementi possono passare da uno stato di quiescenza a uno stato di eccitazione, dopo il quale entrano in uno stato di recupero, caratterizzato da una certa refrattarietà all'eccitazione.
Il tessuto del miocardio è un classico esempio di mezzo eccitabile, assieme alle reazioni di ,e alle aree forestali (in quanto soggette a incendi). I mezzi eccitabili possono essere rappresentati da modelli matematici di diverso tipo. Queste simulazioni possono rappresentare uno spazio e un tempo discreti, come è il caso delle simulazioni con automi cellulari. Oppure, la transizione tra uno stato e l’altro può essere definita in un continuo di spazio e di tempo mediante equazioni differenziali.
In particolare, per simulare i mezzi eccitabili, vengono soprattutto utilizzati dei sistemi di equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE), così chiamati perché queste equazioni definiscono rapporti secondo funzioni con diverse variabili indipendenti solo parzialmente derivabili. A differenza delle simulazioni con automi cellulari, i sistemi PDE possono essere finemente aggiustati ai dati sperimentali e alle particolari geometrie e condizioni di contorno tipiche dei sistemi reali a cui si riferiscono.
Le immagini sono state realizzate con un programma per risolvere e visualizzare le soluzioni di un sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali nell’ambito di una ricerca condotta in collaborazione con Alexander Panfilov del Dipartimento di Biologia Teorica dell’Università di Utrecht (NL).
Il tessuto del miocardio è un classico esempio di mezzo eccitabile, assieme alle reazioni di ,e alle aree forestali (in quanto soggette a incendi). I mezzi eccitabili possono essere rappresentati da modelli matematici di diverso tipo. Queste simulazioni possono rappresentare uno spazio e un tempo discreti, come è il caso delle simulazioni con automi cellulari. Oppure, la transizione tra uno stato e l’altro può essere definita in un continuo di spazio e di tempo mediante equazioni differenziali.
In particolare, per simulare i mezzi eccitabili, vengono soprattutto utilizzati dei sistemi di equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE), così chiamati perché queste equazioni definiscono rapporti secondo funzioni con diverse variabili indipendenti solo parzialmente derivabili. A differenza delle simulazioni con automi cellulari, i sistemi PDE possono essere finemente aggiustati ai dati sperimentali e alle particolari geometrie e condizioni di contorno tipiche dei sistemi reali a cui si riferiscono.
Le immagini sono state realizzate con un programma per risolvere e visualizzare le soluzioni di un sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali nell’ambito di una ricerca condotta in collaborazione con Alexander Panfilov del Dipartimento di Biologia Teorica dell’Università di Utrecht (NL).
Cos'e' controluce
Controluce è una raccolta di immagini scientifiche provenienti dai laboratori di ricerca.
La scienza procede per modelli e anche per immagini. L'osservazione dei fenomeni, gli esperimenti di laboratorio, l'intuizione matematica, le simulazioni al computer utilizzano in molti casi la sintesi e la capacità evocativa di un'immagine. Sopratutto, le immagini sono un irrinunciablile ingrediente della comunicazione della scienza, sia interna che esterna a una certa disciplina.
Le immagini di Controluce vengono scelte e descritte da Ulisse con un lavoro di confronto e di dialogo con gli scienziati che le hanno prodotte. Si tratta di immagini che nascono direttamente dall'attività di ricerca, ma che hanno un alto potenziale comunicativo anche per un pubblico più ampio.
