血栓是人體封閉受傷血管破裂的複雜過程中的最後一步。凝血涉及數百萬血細胞、稱為血小板的微觀細胞碎片以及各種蛋白質之間的相互作用。首先，血小板衝向損傷部位，與纖維蛋白和膠原蛋白的內層結合，在破裂處形成一個粘性網。然後，紅細胞被困在網中，形成血栓。在某些情況下，血栓會阻塞供應大腦或心臟的動脈和血管，從而阻礙血液流動，最終導致中風或心臟病發作。
建立關於血栓如何工作的準確、即時的計算機模擬，以及它們在醫療緊急情況中的作用，未來可能會顯著改善醫生預測破壞性血栓風險以及治療中風和心臟病發作所造成損害的方式。例如，這些模型可以幫助醫生在進行有風險的手術之前放置支架（一種放置在血管中以幫助保持血管開放的管子），或者提供一種測試藥物對迴圈系統影響的新方法。然而，為了真正準確和有用，這種模擬必須考慮到數十億微小的細胞機器，所有這些機器都在血液中移動——這是以前從未被全面建模過的。
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現在，布朗大學的利奧波德·格林伯格和一個國際研究團隊利用世界上三臺最快的超級計算機，建立了一個詳細而複雜的動脈瘤血栓形成模型——動脈瘤是指血管壁在充滿血液時鼓起的現象。格林伯格的團隊使用了從一名動脈瘤患者身上獲取的磁共振成像 (MRI) 資料來建立一個現實的模型，該模型顯示了患者頸部和大腦中的主要動脈，並使用了超過 300,000 個計算機處理器來模擬動脈瘤的破裂、血液在系統中的流動以及血栓的形成。
由此產生的多尺度模擬使研究人員能夠從動脈血流的宏觀視角放大到破裂動脈瘤中血栓形成的微觀視角。在大的尺度上，模擬顯示了擴張和收縮的動脈壁對血液流動方向的影響，並解析了複雜的特徵，如再迴圈區域和漩渦流。在微觀尺度上，模擬顯示了血小板聚集，並揭示了從血栓上分離並順著血流漂走的微小血小板簇。
格林伯格的團隊透過將大腦的迴圈系統分解為可管理的宏觀和微觀模型拼圖來克服計算挑戰。在頻譜的較大端，該模型分為五個區域，分別代表大腦的主要動脈（大腦動脈、頸動脈、椎動脈和基底動脈）和動脈瘤。為了模擬破裂點的血小板聚集，研究人員將動脈瘤內部一個 3 立方毫米的區域分解為數千個三角形的補丁。每個補丁都是一個單獨的計算機模擬，其中計算血小板和血細胞的速度和方向。然後，研究人員使用一系列統計算法來計算粒子在從一個區域移動到另一個區域時的速度，從而有效地將單獨的宏觀和微觀模型連線成一個流動的多維模擬。
哈佛神經學家塔貝爾·萊斯利-馬茲維表示，目前的光透射聚集法等建模技術，這種技術是測量透過活化血小板培養物所透射的光量來確定血栓嚴重程度的過程，可以讓醫生了解治療的效果，但幾乎無法洞悉事先什麼可能會有效。他沒有參與這項新研究。而且，目前，醫生測試在動脈中放置支架的有效性的唯一方法就是這樣做，然後看看會發生什麼。準確的計算機模擬提供了一種測試抗凝藥物的新方法，並且可以替代細胞培養。
萊斯利-馬茲維說：“目前，醫生必須對清除血栓可能有效的方法做出有根據的猜測，然後在事後檢查他們的理論是否正確。這樣做的一個缺點是，每個患者的情況都不同，對一個人有效的方法可能會對另一個人造成危及生命的後果。”
萊斯利-馬茲維表示，格林伯格的研究證明了計算機模擬的可行性，這種模擬可以事先確定特定治療方法是否會產生預期的效果。他還補充說，這項技術也可能在醫療領域，特別是對製藥公司產生巨大的經濟影響。“製藥公司花費數十億美元試圖開發最終未能透過臨床測試的產品，”他說。“多尺度演算法可以根據情況進行調整，以顯示哪些方法有效，哪些方法無效。它將使您能夠預測您的投資。”