<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">579461</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2020.579461</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Efficient Numerical Solution of the EMI Model Representing the Extracellular Space (E), Cell Membrane (M) and Intracellular Space (I) of a Collection of Cardiac Cells</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">J&#xe6;ger et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Efficient Solution of the EMI Model</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>J&#xe6;ger</surname>
<given-names>Karoline Horgmo</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/433240/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Hustad</surname>
<given-names>Kristian Gregorius</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1021586/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>Xing</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/79761/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>Aslak</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/79523/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Simula Research Laboratory, <addr-line>Lysaker</addr-line>, <country>Norway</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>Department of Informatics, University of Oslo, <addr-line>Oslo</addr-line>, <country>Norway</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/645006/overview">Aljaz Godec</ext-link>, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Germany</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/33119/overview">Raymond Spiteri</ext-link>, University of Saskatchewan, Canada</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/397670/overview">Simone Scacchi</ext-link>, University of Milan, Italy</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Karoline Horgmo J&#xe6;ger, <email>karolihj@simula.no</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Biophysics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>13</day>
<month>01</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2020</year>
</pub-date>
<volume>8</volume>
<elocation-id>579461</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>16</day>
<month>09</month>
<year>2020</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>27</day>
<month>10</month>
<year>2020</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x00A9; 2021 J&#x00e6;ger, Hustad, Cai and Tveito</copyright-statement>
<copyright-holder>J&#x00e6;ger, Hustad, Cai and Tveito</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The EMI model represents excitable cells in a more accurate manner than traditional homogenized models at the price of increased computational complexity. The increased complexity of solving the EMI model stems from a significant increase in the number of computational nodes and from the form of the linear systems that need to be solved. Here, we will show that the latter problem can be solved by careful use of operator splitting of the spatially coupled equations. By using this method, the linear systems can be broken into sub-problems that are of the classical type of linear, elliptic boundary value problems. Therefore, the vast collection of methods for solving linear, elliptic partial differential equations can be used. We demonstrate that this enables us to solve the systems using shared-memory parallel computers. The computing time scales perfectly with the number of physical cells. For a collection of 512 <inline-formula id="inf1">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 256 cells, we solved linear systems with about <inline-formula id="inf2">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> unknows. Since the computational effort scales linearly with the number of physical cells, we believe that larger computers can be used to simulate millions of excitable cells and thus allow careful analysis of physiological systems of great importance.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>electrophysiological model</kwd>
<kwd>cardiac conduction</kwd>
<kwd>cell modeling</kwd>
<kwd>finite difference method</kwd>
<kwd>operator splitting algorithm</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Norges Forskningsr&#xe5;d<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100005416</named-content>
</contract-sponsor>
<counts>
<page-count count="0"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Traditionally, numerical simulations of excitable tissue have been performed using homogenized mathematical models. For cardiac tissue, the bidomain model and the associated monodomain model have been very popular and provided important insights into the electrochemical processes underpinning every heartbeat. Introductions to these models can be found in, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B1 B2">1 and 2</xref> and numerical methods used to solved the models are presented in numerous papers; see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>. In the homogenized models, the extracellular space, the cell membrane and the intracellular space all exist everywhere in the computational domain. This approach has proven to be very useful in studying effects on a relatively large length scale (millimeters), but has obvious limitations when the length scale approaches the size of a cell (micrometers). The main reason for this is that the cell itself is missing in the homogenized models.</p>
<p>As an alternative to the homogenized models, we have recently presented and applied a cell-based model; see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>. In this model, the extracellular domain (E), the cell membrane (M) and the intracellular domain (I) are all present in the mathematical model and it is therefore referred to as the EMI model. The EMI model is motivated by earlier work where homogenization has been avoided; see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>.</p>
<p>The obvious advantage of the EMI approach over the homogenized counterparts is that the cell itself is present in the model. This enables the modeler to change cell membrane properties locally (e.g., varying ion channel densities along the cell membrane) which may be of importance for the conduction velocity; see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B9 B20 B21">9, 20, and 21</xref>. Furthermore, the presence of the cell allows for study of the effect of changes to the cell size and shape which may be of great importance; see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>. For instance, the T-tubule system can only be represented in an averaged manner in the classical bidomain/monodomain models, but in the EMI model it would be possible to represent the T-tubule system explicitly albeit at the cost of handling complex geometries.</p>
<p>On the other hand, the obvious disadvantage of the EMI approach is the computational complexity of the model. One issue is that in order to represent the geometry of the cell and the intercalated discs to a reasonable degree of accuracy, we need a very fine computational mesh. For the finite difference computations we have conducted, the mesh resolution is usually between 1 and 4&#xa0;&#x3bc;m. Using a finite element method, the number of nodes may be reduced by applying an adaptive mesh, but the number of grid points remains high. For the bidomain/monodomain models a typical mesh resolution is around 0.25&#xa0;mm (see, e.g., Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>). For a cube with sides measuring 1&#xa0;cm, the EMI model (with <inline-formula id="inf3">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) requires about <inline-formula id="inf4">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mesh points whereas the bidomain model requires about 64,000 mesh points (with <inline-formula id="inf5">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.25</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Since the volume of the human heart muscle is about 300&#xa0;cm<sup>3</sup>, we realize that the EMI approach is currently not feasible and can only be used to study relatively small collections of cells. For the human heart, the bidomain model will require about 20 million computational nodes, and that is clearly within reach for even moderately sized computers.</p>
<p>The EMI model is useful for gaining detailed insights into the dynamics close to excitable cells. It may also be used to study small collections of specialized cells like the sinus node, AV node (atrioventricular node), Purkinje junctions, etc. For instance, the volume of the sinus node (see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>) is about 80&#xa0;mm<sup>3</sup> and a mesh with <inline-formula id="inf6">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would result in about <inline-formula id="inf7">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.25</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mesh points which may be achievable. In contrast, the bidomain model of the sinus node would need only about 5,000 nodes.</p>
<p>The mouse heart is frequently used as an experimental model to study cardiac electrophysiology. The size of the sinus node and AV node for this animal is much smaller than for humans; the volume of the sinus node of a mouse is about 1.5&#xa0;mm <inline-formula id="inf8">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.5&#xa0;mm <inline-formula id="inf9">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;mm <inline-formula id="inf10">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.23&#xa0;mm<sup>3</sup> and the volume of the AV node is about 1.2&#xa0;mm <inline-formula id="inf11">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.5&#xa0;mm <inline-formula id="inf12">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.4&#xa0;mm <inline-formula id="inf13">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.24 mm<sup>3</sup>, see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>. With <inline-formula id="inf14">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we would need to solve linear systems with about 3.5 <inline-formula id="inf15">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 10<sup>6</sup> and 3.75 <inline-formula id="inf16">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 10<sup>6</sup> computational nodes for the sinus node and the AV node, respectively. Based on the results of the present paper, we claim that it is possible to perform detailed simulations based on the EMI model for the sinus node and AV node of the mouse heart.</p>
<p>Another difficulty associated with the EMI model is the characteristics of the linear system arising from the discretization of the model. The system turns out to be difficult to solve and it does not fall into a standard category of systems where well-developed methods and software can be applied. The method used to solve the system in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B8 B10">8 and 10</xref> is based on an temporal operator splitting algorithm where the non-linear part is handled in one step, and then the linear equations arising from E, M and I are spatially coupled in one common linear system. Attempts to split the system into separate equations for E, M and I, and solve these systems in a sequential manner, lead to severe restrictions on the time step <inline-formula id="inf17">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>ms</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, rendering the method useless for any practical purposes. Therefore, we need to formulate the model as a coupled system of equations and the challenge becomes how to solve this system. Fast numerical solution of linear, elliptic equations is one of the most developed field of scientific computing (see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>). Therefore, spatial splitting of the problem into sub-problem of this particular type will ensure that we have efficient methods at hand. The main result of this paper is to demonstrate that the EMI model can be split into sub-problems of the classical elliptic type and therefore the overall method becomes efficient and stable. The overall computational efforts scale linearly with the number of cells and, therefore, the number of cells we can simulate is, in principle, determined by the power of the available computing facility.</p>
<p>The remainder of this paper is organized as follows: First, in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, we present the EMI model for a single cell and a finite difference approach for discretizing and solving the linear model equations in a coupled manner. We then describe the spatial operator splitting algorithm for splitting the EMI model into separate equations for the extracellular space, the membrane and the intracellular space, and outline a finite difference discretization for the splitting approach. In <xref ref-type="sec" rid="s2-5">Section 2.5</xref>, we investigate the accuracy of the spatial splitting method by comparing the solution of the splitting algorithm to the solution of the spatially coupled system of equations. Next, in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, we present the EMI model for connected cells and explain how the spatial splitting approach can be extended to this case. We also describe a finite difference discretization of the coupled system and the spatial splitting approach, and investigate the accuracy of the splitting method for a collection of connected cells. In <xref ref-type="sec" rid="s2-4">Section 4</xref>, we describe a parallel shared-memory implementation of the spatial splitting algorithm and report performance results of the parallel solver. Finally, in <xref ref-type="sec" rid="s5 s6">Sections 5 and 6</xref> the results of the paper are discussed and summarized.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. The Single Cell Case</title>
<p>We begin by describing a spatial splitting method for the EMI model for a single cell surrounded by an extracellular space, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. This splitting method may also be straightforwardly extended to collections of isolated cells, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. However, when collections of cells are connected by gap junctions (see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>), the splitting method must be extended to account for the gap junctional coupling between cells. This extension is described in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Illustration of a two-dimensional version of the domain for the EMI model for a single cell. The domain consists of an intracellular domain, <inline-formula id="inf18">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, surrounded by an extracellular domain, <inline-formula id="inf19">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The membrane, <inline-formula id="inf20">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>, is defined as the boundary between the intracellular and extracellular domains. The figure is reused from Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref> with permission from the publisher.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g001.tif"/>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Illustration of the EMI model domain for a collection of isolated cells. The spatial splitting approach described in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref> for a single cell may also be applied for this type of cell collection.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g002.tif"/>
</fig>
<sec id="s2-1">
<title>2.1. The EMI Model</title>
<p>In the EMI model for a single cell, like illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, we consider an intracellular domain, <inline-formula id="inf21">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, surrounded by an extracellular domain, <inline-formula id="inf22">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The boundary between the intracellular and extracellular domains defines the cell membrane, <inline-formula id="inf23">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>. The EMI model (see, e.g., Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>) describes the electric potential in these domains and is given by the following system of equations:<disp-formula id="e1">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e6">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e7">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e8">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>Here, <inline-formula id="inf24">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the extracellular potential defined in <inline-formula id="inf25">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf26">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the intracellular potential defined in <inline-formula id="inf27">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>v</italic> is the membrane potential defined at <inline-formula id="inf28">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>. The potentials are all given in units of mV. The parameters <inline-formula id="inf29">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf30">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent the extracellular and intracellular conductivites, respectively, and are given in units of mS/cm. Furthermore, <inline-formula id="inf31">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf32">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the outward pointing unit normal vectors of the extracellular and intracellular spaces, respectively, and <inline-formula id="inf33">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the specific membrane capacitance, given in units of &#x3bc;F/cm<sup>2</sup>. Time is given in units of ms and length is given in units of cm.</p>
<p>The current density <inline-formula id="inf34">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the sum of the ionic current densities through different types of ion channels, pumps and exchangers on the cell membrane, and <inline-formula id="inf35">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the sum <inline-formula id="inf36">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the capacitive current density <inline-formula id="inf37">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. All current densities are given in units of &#x3bc;A/cm<sup>2</sup>. The model for <inline-formula id="inf38">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> typically involves a set of additional state variables describing the gating mechanisms of the ion channels and ionic concentrations. These variables are defined on <inline-formula id="inf39">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> and are denoted by <italic>s</italic> in the EMI system defined above. The dynamics of <italic>s</italic> are governed by a set of ordinary differential equations described by <inline-formula id="inf40">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the computations of this paper, we let <inline-formula id="inf41">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf42">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be given by the Grandi et al. model for human ventricular cardiomyocytes [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>].</p>
<p>On the outer boundary of the extracellular space, we apply the homogeneous Dirichlet boundary condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref> on a part of the boundary, <inline-formula id="inf43">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the homogeneous Neumann boundary condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> on the remaining part, <inline-formula id="inf44">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the computations reported below, we apply Dirichlet boundary conditions on the outer extracellular boundary in the <italic>x</italic>- and <italic>y</italic>-directions and Neumann boundary conditions on the extracellular boundary in the <italic>z</italic>-direction.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2. The Coupled Discrete Model</title>
<p>In order to illustrate how the linear part of the EMI model <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eqs 1</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e8">8</xref> can be discretized and solved in a coupled manner, we describe below how to set up a finite difference discretization of the full EMI system. However, because of the possibly nonlinear terms included in <italic>F</italic> and <inline-formula id="inf45">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we use a temporal operator splitting method to split the EMI system into a linear part and a nonlinear part. The discrete version of this approach is taken from Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref> but repeated here for completeness.</p>
<sec id="s2-2-1">
<title>2.2.1. Spatial and Temporal Splitting</title>
<p>The challenge we address in the present paper is to split the spatial coupling of the EMI model such that a solution algorithm can be founded on well-studied equations. In addition, we use temporal splitting of <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2">
<title>2.2.2. Step 1: Membrane Dynamics</title>
<p>In the discrete model, we seek discrete approximations <inline-formula id="inf46">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf47">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf48">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf49">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the solutions at <inline-formula id="inf50">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf51">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf52">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf53">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is important to notice that the approximations of <italic>v</italic> and <italic>s</italic> are only sought on <inline-formula id="inf54">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>, the approximation of <inline-formula id="inf55">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <inline-formula id="inf56">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and that of <inline-formula id="inf57">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <inline-formula id="inf58">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For each time step <inline-formula id="inf59">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we assume that the solutions <inline-formula id="inf60">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf61">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are known for the previous time step <inline-formula id="inf62">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the first step of the temporal operator splitting procedure, we update the solution of <italic>v</italic> and <italic>s</italic> by solving<disp-formula id="e9">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>for a time step of <inline-formula id="inf63">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the previous solutions <inline-formula id="inf64">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf65">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We let the solution of <italic>s</italic> from this step define the approximation of <italic>s</italic> at the current time step, <inline-formula id="inf66">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and let the solution of <italic>v</italic> be denoted by <inline-formula id="inf67">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the computations reported below, we solve <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eqs 9</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> by taking <italic>m</italic> forward Euler steps of size <inline-formula id="inf68">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We found the forward Euler scheme to produce stable solutions at <inline-formula id="inf69">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms with the Grandi et al. model. If a stiffer cell model was used, a first-order generalized Rush&#x2013;Larsen scheme [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>] could be a more fitting choice, as it generally allows for a larger time step than forward Euler [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2-2-3">
<title>2.2.3. Step 2: Coupled Linear EMI System</title>
<p>In the next step of the temporal operator splitting procedure, the remaining EMI system <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eqs 1</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> with <inline-formula id="inf70">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is solved using a coupled finite difference discretization. A two-dimensional version of the computational grid used in this discretization is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>. We observe that the computational grid consists of three types of nodes; extracellular nodes marked by <inline-formula id="inf71">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, intracellular nodes marked by &#x25CB;, and membrane nodes marked by <inline-formula id="inf73">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Illustration of the computational mesh used in the coupled <bold>(A)</bold> and split <bold>(B)</bold> versions of the finite difference discretization of the EMI model. The mesh consists of three types of nodes; extracellular nodes marked by &#xd7;, intracellular nodes marked by &#x25CB;, and membrane nodes marked by &#x2297;.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g003.tif"/>
</fig>
<p>For the intracellular nodes, there is one unknown, <inline-formula id="inf80">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and one governing equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>). This equation is discretized using the finite difference approximation<disp-formula id="equ1">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ2">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>Likewise, for the majority of the extracellular nodes, there is one unknown, <inline-formula id="inf81">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and one governing equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>), which is discretized using <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> with <inline-formula id="inf82">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf83">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> replaced by <inline-formula id="inf84">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf85">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. For the extracellular nodes on <inline-formula id="inf86">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> is replaced by the discrete version of <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref> <inline-formula id="inf87">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, for extracellular nodes on <inline-formula id="inf88">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (i.e., for the boundary in the <italic>z</italic>-direction), the finite difference approximation<disp-formula id="e12">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>of <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> is used to find substitutions for either <inline-formula id="inf89">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf90">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> located outside the computational domain in the extracellular version of <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>.</p>
<p>For the nodes located at the membrane, there are three unknowns, <inline-formula id="inf91">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf92">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>v</italic>, and three governing equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eqs 5</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>). For the flux equality equation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, we use a standard first-order finite difference approximation, and for <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, we use the discrete version <inline-formula id="inf93">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> with <inline-formula id="inf94">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we use an implicit time discretization<disp-formula id="e13">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf95">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is computed using the same finite differences as for <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref> and <inline-formula id="inf96">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the solution of <italic>v</italic> from Step 1 of the operator splitting procedure. Note that for membrane nodes located at the lines where two membrane planes intersect, we compute two versions of <inline-formula id="inf97">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, one for the normal derivative of each of the membrane planes and define <inline-formula id="inf98">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mean value of these two versions. For corner nodes where three membrane planes intersect, we similarly compute three versions of <inline-formula id="inf99">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and define <inline-formula id="inf100">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mean value of these three versions.</p>
<p>Collecting the equations of the discrete version of the linear part of the EMI model, we end up with a spatially coupled system of equations consisting of one equation for every computational node plus two extra equations for each membrane node.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3. Robin/Neumann Spatial Splitting of the EMI Model</title>
<p>The coupled discrete version of the EMI model may be used to find accurate solutions of the system (see, e.g., Refs <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>). However, in some cases it would be much more convenient to be able to rewrite the EMI system as a set of more standard problems that can be solved individually using existing well-developed solution methods for such standard problems. Linear systems arising from discretizations of elliptic partial differential equations have been under intense scrutiny for decades and the efforts have resulted in optimal solution strategies; see, e.g., Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>. Our aim is therefore to introduce a spatial operator splitting algorithm for the EMI model that results in sub-problems formulated in terms of standard elliptic problems, thus enabling the use of optimal solvers.</p>
<p>In this section, we describe a method for constructing such a splitting of the EMI model. In this approach, for each time step, we will solve the equations of the intracellular and extracellular spaces separately as standard Laplace equations with Robin, Neumann or Dirichlet boundary conditions on the boundary of the domains. The algorithm described in this section is summarized in Algorithm 1.</p>
<sec id="s2-3-1">
<title>2.3.1. Step 1: Membrane Dynamics</title>
<p>In the first step of the splitting procedure, we solve the nonlinear part of the EMI model just like in the coupled discrete model. In other words, we update the solution of the membrane potential, <italic>v</italic>, and the remaining membrane state variables, <italic>s</italic>, by solving the system of ordinary differential equations<disp-formula id="e14">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>at <inline-formula id="inf101">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> for one time step with the solutions from the previous time step <inline-formula id="inf102">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as initial conditions. We let the solution of <italic>s</italic> from this step define the approximation of <italic>s</italic> at the current time step, <inline-formula id="inf103">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and let the solution of <italic>v</italic> be denoted by <inline-formula id="inf104">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3-2">
<title>2.3.2. Step 2: Intracellular System</title>
<p>In the next step of the approach, we find an approximation of the intracellular potential, <inline-formula id="inf105">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, by solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref> and using <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eqs. 6</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> (with <inline-formula id="inf106">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and initial condition <inline-formula id="inf107">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) as boundary conditions for the membrane. In <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, we let <inline-formula id="inf108">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be approximated by <inline-formula id="inf109">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> computed as follows: In the first iteration of Step 2, we let <inline-formula id="inf110">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and in the first time step, we assume that at <inline-formula id="inf111">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have <inline-formula id="inf112">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the next iterations, the approximation <inline-formula id="inf113">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is taken from the solution of the previous iteration of the splitting algorithm. Inserting the approximation of <inline-formula id="inf114">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, we get<disp-formula id="e16">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>In <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref>, we discretize the time derivative using the implicit approximation<disp-formula id="equ3">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>Inserting <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> yields<disp-formula id="equ4">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>and inserting the definition of <inline-formula id="inf115">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, we obtain<disp-formula id="equ5">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>This defines a Robin boundary condition at <inline-formula id="inf116">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> for the intracellular domain. Summarizing, Step 2 of the splitting procedure consists of solving<disp-formula id="e17">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e18">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>to find an approximation of <inline-formula id="inf117">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, denoted by <inline-formula id="inf118">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3-3">
<title>2.3.3. Step 3: Extracellular System</title>
<p>In the third step of the procedure, we update the extracellular potential by solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> with boundary conditions given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eqs 3</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref>. Here, <inline-formula id="inf119">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref> is found from the solution of Step 2. In other words, Step 3 consists of computing<disp-formula id="e19">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>from the solution of <inline-formula id="inf120">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from Step 2, and then solving<disp-formula id="e20">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e22">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e23">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>to find an approximation <inline-formula id="inf121">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf122">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3-4">
<title>2.3.4. Iteration for the Intracellular-Extracellular Coupling</title>
<p>After solving Step 2 and Step 3 once, we obtain a new approximation <inline-formula id="inf123">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf124">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This approximation may be used to define a new approximation given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>, and Step 2 and Step 3 may be repeated to obtain more accurate estimates of <inline-formula id="inf125">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf126">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf127">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf128">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. After repeating these steps for a number of iterations, <inline-formula id="inf129">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we define<disp-formula id="e24">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e25">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-3-5">
<title>2.3.5. Step 4: Updating the Membrane Potential</title>
<p>In the final step of the procedure, the membrane potential, <italic>v</italic>, is updated using the solutions of <inline-formula id="inf130">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf131">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the final iteration of Step 2 and Step 3. We use <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> and set<disp-formula id="e26">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4. Discrete Version of the Splitting Approach</title>
<p>An illustration of the computational mesh used in each of the steps of the finite difference discretization of the splitting method is found in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>. In the discrete version of the splitting approach, we solve Step 1 just like for the coupled version by taking <italic>m</italic> forward Euler steps of size <inline-formula id="inf148">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In Step 2, we consider the nodes representing the membrane and the purely intracellular points and we have one equation and one unknown, <inline-formula id="inf149">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in all these points. For the purely intracellular points, we discretize <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> using <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>. For the membrane points, we discretize <inline-formula id="inf150">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> using a standard first-order finite difference approximation. In Step 3, we discretize <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eqs 20</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> in the same manner as for the coupled system, and use standard first-order finite difference approximations of <inline-formula id="inf151">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf152">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eqs 19</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref>, respectively. In Step 4, we use the straightforward discrete version of <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eq. 26</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>2.5. Numerical Comparison of Solution Methods</title>
<p>In order to investigate the accuracy of the splitting method introduced above, we set up a simple test case with a single cell surrounded by an extracellular space. The cell is located in the center of the domain, and the size of the entire domain <inline-formula id="inf153">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x222a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is 180&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf154">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 130&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf155">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 26&#xa0;&#x3bc;m. The default parameter values used in the simulation are given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, and the membrane dynamics are modeled by the epicardial version of the Grandi et al. model for human ventricular cardiomyocytes [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]. In addition, 20% of the cell in the lower <italic>x</italic>-direction is stimulated by a membrane current of &#x2212;40&#xa0;&#x3bc;A/cm<sup>2</sup>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Default parameter values used in the simulations, based on Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<td>Parameter</td>
<td align="center">Value</td>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf158">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf159">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;F</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf160">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf161">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;F</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf162">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf163">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mS</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf164">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf165">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mS</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf166">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf167">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0045</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>k&#x3a9;cm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>Cell size</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf168">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf169">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf170">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf171">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf172">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf173">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (PDE part)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf174">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>ms</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf175">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (ODE part)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf176">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>ms</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn>
<p>For the parameters used in the Grandi et al. model, we refer to <xref ref-type="bibr" rid="B33">Ref. 33</xref>.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<table-wrap id="T19" position="float">
<label>Algorithm 1</label>
<caption>
<p>Summary of the splitting algorithm for the EMI model for a single cell.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<tbody>
<tr>
<td>
<bold>Initial conditions:</bold> <inline-formula id="inf132">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf133">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf134">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<bold>for</bold> <inline-formula id="inf135">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<bold>Step 1:</bold> Find <inline-formula id="inf136">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf137">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving a time step <inline-formula id="inf138">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf139">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of<inline-formula id="inf661">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf662">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>Define <inline-formula id="inf140">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<bold>for</bold> <inline-formula id="inf141">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>:</inline-formula>
<bold>Step 2:</bold> Find <inline-formula id="inf142">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving<inline-formula id="inf663">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf664">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<bold>Step 3:</bold> Find <inline-formula id="inf143">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving<inline-formula id="inf665">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf666">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf667">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf668">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<bold>end</bold>Define <inline-formula id="inf144">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf145">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<bold>Step 4:</bold> Define <inline-formula id="inf146">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf147">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>.<bold>end</bold>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> show a comparison of the solutions of the coupled approach and the splitting approach applied to this simple test problem. The left panel shows the extracellular potential, <inline-formula id="inf177">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the right panel shows the intracellular potential, <inline-formula id="inf178">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, the upper panel shows the solution of the coupled approach, the middle panel shows the solution of the splitting approach, and the lower panel shows the absolute value of the difference between the two solutions. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> we use one iteration <inline-formula id="inf179">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the splitting approach, and in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, we use five iterations <inline-formula id="inf180">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We observe that the coupled and splitting approaches result in very similar solutions for both <inline-formula id="inf181">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf182">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and for both one and five iterations of the splitting approach. However, the difference is reduced when five iterations are used compared to when one iteration is used. For <inline-formula id="inf183">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the maximum difference between the two solutions is about <inline-formula id="inf184">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mV for <inline-formula id="inf185">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf186">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mV for <inline-formula id="inf187">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For <inline-formula id="inf188">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the maximum difference is reduced to about <inline-formula id="inf189">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mV for <inline-formula id="inf190">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf191">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mV for <inline-formula id="inf192">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Comparison of the solutions of the coupled (C) and splitting (S) approaches for the EMI model for a single cell. The left panel shows <italic>u</italic>
<sub>e</sub> and the right panel shows <italic>u</italic>
<sub>i</sub> . Furthermore, the upper panel shows the solution of the C approach, the middle panel shows the solution of the S approach, and the lower panel shows the absolute value of the difference between the two solutions. The solutions are collected at <italic>t</italic> &#x003D; 3.5 ms, and the plots show the solutions in a sheet in the center of the domain in the <italic>z</italic>&#x2010;direction. The parameters used in the simulations are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, and we use <italic>N</italic>
<sub>it</sub> &#x003D; 1 in the S approach.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparison of the solutions of the coupled and splitting approaches for the EMI model like in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, except that we use five iterations, <italic>N</italic>
<sub>it</sub> &#x003D; 5, instead of one in the splitting approach.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g005.tif"/>
</fig>
<p>In <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>, we report the difference between the solutions of the two approaches in the form of the relative, discrete <inline-formula id="inf200">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-norm of the difference. We consider a number of different values of <inline-formula id="inf201">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the splitting approach and compare these solutions to the solution of the coupled approach for <inline-formula id="inf202">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms. In the splitting approach, we take five iterations for each time step <inline-formula id="inf203">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the table, we observe that as <inline-formula id="inf204">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is reduced for the splitting approach, the difference between the two solutions decreases with a rate roughly equal to <inline-formula id="inf205">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Difference between the solution of the coupled approach (<inline-formula id="inf206">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf207">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf208">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with <inline-formula id="inf209">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms and the solution of the splitting approach (<inline-formula id="inf210">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf211">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf212">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) for a number of different values of <inline-formula id="inf213">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and with <inline-formula id="inf214">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf215">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (ms)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf216">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf217">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf218">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>0.1</td>
<td align="center">1.65e&#x2b;00</td>
<td align="center">5.39e&#x2212;01</td>
<td align="center">5.40e&#x2212;01</td>
</tr>
<tr>
<td>0.05</td>
<td align="center">7.61e&#x2212;01</td>
<td align="center">1.35e&#x2212;01</td>
<td align="center">1.35e&#x2212;01</td>
</tr>
<tr>
<td>0.02</td>
<td align="center">2.33e&#x2212;01</td>
<td align="center">2.69e&#x2212;02</td>
<td align="center">2.69e&#x2212;02</td>
</tr>
<tr>
<td>0.01</td>
<td align="center">9.85e&#x2212;02</td>
<td align="center">9.09e&#x2212;03</td>
<td align="center">9.11e&#x2212;03</td>
</tr>
<tr>
<td>0.005</td>
<td align="center">4.10e&#x2212;02</td>
<td align="center">3.26e&#x2212;03</td>
<td align="center">3.27e&#x2212;03</td>
</tr>
<tr>
<td>0.002</td>
<td align="center">9.79e&#x2212;03</td>
<td align="center">6.99e&#x2212;04</td>
<td align="center">7.01e&#x2212;04</td>
</tr>
<tr>
<td>0.001</td>
<td align="center">6.84e&#x2212;10</td>
<td align="center">8.84e&#x2212;09</td>
<td align="center">8.84e&#x2212;09</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn>
<p>The solutions are compared at <inline-formula id="inf219">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms in a simulation of a single cell, and the parameters of the model are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Connected Cells</title>
<p>As observed in the previous section, the proposed splitting method for the EMI model for a single cell appears to provide accurate solutions for reasonable time step sizes. However, in cases where cells are connected by gap junctions like illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, the splitting approach needs to be extended to account for the coupling between cells through the gap junctions. Again, the aim of the splitting is to obtain standard uncoupled Laplace problems in each domain and thereby allow solution of the originally coupled system by solving decoupled systems for the individual cells in parallel. In this section, we describe such an extension of the splitting method.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Two-dimensional illustration of the EMI model domain for two connected cells. The domain consists of two cells, &#x2126;<sup>1</sup>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> and &#x2126;<sup>2</sup>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> , with cell membranes denoted by &#x393;<sub>1</sub> and &#x393;<sub>2</sub>, respectively. The cells are connected to each other by the intercalated disc, &#x393;<sub>1,2</sub>, and surrounded by an extracellular space, denoted by &#x2126;<sub>e</sub>. The figure is reused from Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref> with permission from the publisher.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g006.tif"/>
</fig>
<sec id="s3-1">
<title>3.1. The EMI Model for Connected Cells</title>
<p>A two-dimensional version of the domain for the EMI model for two connected cells is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. Two cells, <inline-formula id="inf221">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf222">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are surrounded by an extracellular space, <inline-formula id="inf223">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the boundary between <inline-formula id="inf224">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and each of the cells <inline-formula id="inf225">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf226">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> consists of the cell membranes denoted by <inline-formula id="inf227">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf228">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. In addition, the boundary between the two intracellular domains defines an intercalated disc, denoted by <inline-formula id="inf229">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1,2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The EMI model describes the electric potential in such a domain and is given by the equations<disp-formula id="e27">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e28">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e29">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e30">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e31">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e34">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e35">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e36">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e37">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gap</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>for each cell <italic>k</italic> and each neighboring cell <inline-formula id="inf230">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, <inline-formula id="inf231">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf232">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf233">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the extracellular, intracellular and membrane potentials in <inline-formula id="inf234">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf235">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and at <inline-formula id="inf236">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. In addition, <inline-formula id="inf237">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the potential difference at an intercalated disc, <inline-formula id="inf238">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note here that at a given intercalated disc, this potential difference is defined differently for the two adjoining cells. For instance, at the intercalated disc <inline-formula id="inf239">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1,2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, <inline-formula id="inf240">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf241">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The current density <inline-formula id="inf242">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gap</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (in &#x3bc;A/<inline-formula id="inf243">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) represents the ionic current density through the gap junctions at the intercalated disc and is given by<disp-formula id="e38">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gap</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf244">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the gap junction resistance (in k<inline-formula id="inf245">
<mml:math>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf246">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), and <inline-formula id="inf247">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eq. 37</xref> represents the specific capacitance of the intercalated disc. Furthermore, <inline-formula id="inf248">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (in &#x3bc;A/<inline-formula id="inf249">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) represents the sum of <inline-formula id="inf250">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gap</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the capacitive current over the gap junction, <inline-formula id="inf251">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For definitions and units for the remaining variables and parameters, see <xref ref-type="sec" rid="s2-1">Section 2.1</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2. Discrete Coupled Version of the Model for Connected Cells</title>
<p>A two-dimensional version of the computational mesh used in the finite difference discretization of the EMI model for two connected cells is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>. We observe that in this case, there are four different types of nodes; nodes located in the extracellular space, marked by <inline-formula id="inf252">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, nodes located in the intracellular space, marked by &#x25CB;, nodes located at the membrane, marked by <inline-formula id="inf254">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, and, finally, nodes located at the intercalated disc, marked by <inline-formula id="inf255">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Illustration of the computational mesh used in the coupled <bold>(A)</bold> and split <bold>(B)</bold> versions of the finite difference discretization of the EMI model for two connected cells. The mesh consists of four types of computational nodes; nodes located in the extracellular domain, marked by <inline-formula id="inf256">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, nodes located in the intracellular domain, marked by <sup>&#x00B0;</sup>, nodes located at the membrane, marked by <inline-formula id="inf258">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, and nodes located at the intercalated disc, marked by <inline-formula id="inf259">
<mml:math>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g007.tif"/>
</fig>
<p>In the coupled discrete version of the EMI model for connected cells, we split the EMI model into a nonlinear part and a linear part using the same temporal operator splitting procedure as for the discrete coupled model for a single cell (see <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>). Moreover, the first nonlinear step, solving the ordinary differential equations describing the membrane dynamics, is solved in exactly the same manner as for the single cell case (see <xref ref-type="sec" rid="s2-2-2">Section 2.2.2</xref>).</p>
<p>Furthermore, in the finite difference discretization of the linear part of the EMI model we use the exact same approach to discretize the equations for the intracellular, extracellular and membrane nodes as for the single cell case (see <xref ref-type="sec" rid="s2-2-3">Section 2.2.3</xref>). The only exceptions requiring special attention in the case of connected cells are the extracellular nodes located directly below or above the intercalated disc (see <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>). For these nodes, we enforce a no-flow boundary condition and set the extracellular potential equal to the potential in the purely extracellular nodes located directly above or below the corner nodes.</p>
<p>The nodes located at the intercalated disc are treated in exactly the same manner as the membrane nodes except that <inline-formula id="inf260">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gap</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not set to zero in <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eq. 37</xref>. We discretize <inline-formula id="inf261">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf262">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> using standard first-order finite differences, and use a straightforward discrete version of <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref>. Finally, <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eq. 37</xref> is discretized in time using an implicit finite difference approximation<disp-formula id="equ14">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where a first-order finite difference approximation of <inline-formula id="inf263">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is used to define <inline-formula id="inf264">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3. Splitting Approach for the EMI Model for Connected Cells</title>
<p>We now want to split the intracellular subdomains in order to obtain classical elliptic equations defined on small domains. In this splitting approach, the linear part of the EMI model is for each time step split into standard Laplace problems with Robin, Neumann or Dirichlet boundary conditions. These problems can be solved separately in each of the domains <inline-formula id="inf265">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf266">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Steps 1, 3, and 4 of the splitting approach are exactly the same for connected cells as for the single cell case (see <xref ref-type="sec" rid="s2-2-3">Section 2.3</xref>), but Step 2 is extended to account for the cell coupling at the intercalated discs, <inline-formula id="inf267">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this section we therefore only describe the extended version of Step 2 and refer to <xref ref-type="sec" rid="s2-2-3">Section 2.3</xref> for descriptions of the remaining steps of the procedure. In addition, the full splitting algorithm for coupled cells is summarized in Algorithm 2.</p>
<sec id="s3-3-1">
<title>3.3.1. Step 2: Intracellular System</title>
<p>In Step 2 of the splitting approach for connected cells, we update the intracellular potential by solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref> in each of the intracellular domains, <inline-formula id="inf268">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. On the membrane, <inline-formula id="inf269">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we define Robin boundary conditions from <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eqs 32</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, just like in the single cell case (see <xref ref-type="sec" rid="s2-3-2">Section 2.3.2</xref>). What remains is to define a boundary condition for the intercalated disc, <inline-formula id="inf270">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, from <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eqs 35</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e37">37</xref>.</p>
<p>We define this boundary condition in an iterative manner, where we for each iteration use an approximation of <inline-formula id="inf271">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, denoted by <inline-formula id="inf272">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the first iteration, we set <inline-formula id="inf273">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Discretizing the time derivative in <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eq. 37</xref> using an implicit finite difference and inserting <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">Eq. 38</xref>, we obtain<disp-formula id="equ15">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>Replacing <inline-formula id="inf274">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by the approximation <inline-formula id="inf275">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we get<disp-formula id="equ16">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>This defines an approximation of the Neumann boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>) for <inline-formula id="inf276">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In each iteration of the intracellular system, we therefore solve<disp-formula id="e39">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e40">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e41">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>for each cell <italic>k</italic> to find temporary approximations of <inline-formula id="inf277">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, denoted by <inline-formula id="inf278">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="FN1">
<sup>1</sup>
</xref> Finally, we update <inline-formula id="inf279">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> on the form<disp-formula id="e42">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>This procedure (<xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs 39</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e42">42</xref>) is continued for a number of iterations, denoted by <inline-formula id="inf280">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<table-wrap id="T20" position="float">
<label>Algorithm 2</label>
<caption>
<p>Summary of the splitting algorithm for the EMI model for connected cells.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<tbody>
<tr>
<td>
<bold>Initial conditions:</bold> <inline-formula id="inf281">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf282">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf283">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf284">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for all <italic>k</italic>.<bold>for</bold> <inline-formula id="inf285">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<bold>Step 1:</bold> For all <italic>k</italic>, find <inline-formula id="inf286">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf287">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the nodes of the membrane <inline-formula id="inf288">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving a time step <inline-formula id="inf289">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf290">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of<inline-formula id="inf669">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ion</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf670">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>Define <inline-formula id="inf291">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf292">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <italic>k</italic>.<bold>for</bold> <inline-formula id="inf293">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<bold>Step 2:</bold>
<bold>for</bold> <inline-formula id="inf294">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:For every <italic>k</italic>, find <inline-formula id="inf295">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving<inline-formula id="inf671">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf672">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf673">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>where <inline-formula id="inf296">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes each of the neighboring cells of cell <italic>k</italic>.Update <inline-formula id="inf297">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf298">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <italic>k</italic> and <inline-formula id="inf299">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<bold>end</bold>
<bold>Step 3:</bold> Find <inline-formula id="inf300">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving<inline-formula id="inf674">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf675">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf676">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf677">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>at</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>for&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mtext>all</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<bold>end</bold>Define <inline-formula id="inf301">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf302">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf303">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <italic>k</italic>.<bold>Step 4:</bold> Define <inline-formula id="inf304">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf305">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <italic>k</italic>.<bold>end</bold>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s3-4">
<title>3.4. Discrete Version of the Splitting Approach</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7B</xref> shows an illustration of the computational mesh used in each of the steps of the finite difference discretization of the splitting approach for connected cells. The discrete versions of steps 1, 3, and 4 of the procedure are set up in the same manner as for a single cell (see <xref ref-type="sec" rid="s2-4">Section 2.4</xref>). For each cell and in each iteration of Step 2, we consider the nodes representing the intercalated disc, the membrane and the purely intracellular points, and we have one equation and one unknown, <inline-formula id="inf306">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in all these nodes. For the purely intracellular nodes, we discretize <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eq. 39</xref> using <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>. For the membrane and intercalated disc nodes, we discretize <inline-formula id="inf307">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">Eqs 40</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">41</xref> using a standard first-order finite difference.</p>
</sec>
<sec id="s3-5">
<title>3.5. Numerical Comparison of Solution Methods</title>
<p>In order to investigate the accuracy of the splitting method for the EMI model for connected cells, we extend the simple test case introduced in <xref ref-type="sec" rid="s2-5">Section 2.5</xref> to include a collection of 5 <inline-formula id="inf308">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 5 connected cells. We still use the parameters specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, unless otherwise specified. In order to allow for two-dimensional cell connections, each cell is extended with additional cubes of smaller width in the <italic>x</italic>- and <italic>y</italic>-directions (see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>). The sizes of these additional cubes are given in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>. The distance between the intracellular domain and the extracellular boundary is 12&#xa0;&#x3bc;m in the <italic>x</italic>- and <italic>y</italic>-directions and 4&#xa0;&#x3bc;m in the <italic>z</italic>-direction. Furthermore, we stimulate the 2 <inline-formula id="inf309">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 2 cells in the lower left corner by a 1&#xa0;ms-long stimulus current of <inline-formula id="inf310">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;&#x3bc;A/<inline-formula id="inf311">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>cm</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and we consider the solution at <inline-formula id="inf312">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Two-dimensional illustration of the geometry used for a single cell in the simulations of collections of connected cells. The intracellular domain is a composition of the subdomains <inline-formula id="inf313">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf314">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>W</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf315">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>E</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf316">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>S</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf317">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>N</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and all these subdomains are shaped as rectangular cuboids with sizes specified in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>. The figure is reused from Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref> with permission from the publisher.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g008.tif"/>
</fig>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Specification of the size of the subdomains of a single cell used in the simulations of connected cells (see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>).</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<td>Domain</td>
<td align="center">Size</td>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf318">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">100&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf319">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 18&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf320">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 18&#xa0;&#x3bc;m</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf321">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>W</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf322">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>E</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">4&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf323">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 8&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf324">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 8&#xa0;&#x3bc;m</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf325">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>S</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf326">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>N</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">8&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf327">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 4&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf328">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 8&#xa0;&#x3bc;m</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Note that in the current implementation of the model, the intracellular and extracellular conductivities, <inline-formula id="inf329">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf330">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are assumed to be isotropic, and the anisotropy of cardiac tissue is represented by the anisotropic cell shape and distribution of gap junctions. Anisotropic conductivities, <inline-formula id="inf331">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf332">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, could, however, also be straightforwardly incorporated in the model (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eqs 27</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e37">37</xref>). Using the parameters of the simple test case setup, the conduction velocity is approximately 26&#xa0;cm/s in the longitudinal direction (<italic>x</italic>-direction) and approximately 6&#xa0;cm/s in the transverse direction (<italic>y</italic>-direction).</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, we compare the solutions of the coupled and splitting approaches applied to this test problem. In the splitting approach, we use five inner and outer iterations <inline-formula id="inf333">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We observe that the coupled and splitting approaches result in very similar solutions for both <inline-formula id="inf334">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf335">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The maximum difference between the two solutions is about <inline-formula id="inf336">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mV for <inline-formula id="inf337">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf338">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mV for <inline-formula id="inf339">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Comparison of the solutions of the coupled (C) and splitting (S) approaches for the EMI model for connected cells. The left panel shows <inline-formula id="inf340">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the right panel shows <inline-formula id="inf341">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, the upper panel shows the solution of the C approach, the middle panel shows the solution of the S approach, and the lower panel shows the absolute value of the difference between the two solutions. The solutions are collected at <inline-formula id="inf342">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms, and the plots show the solutions in a sheet in the center of the domain in the <italic>z</italic>-direction. The parameters used in the simulations are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Tables 1</xref> and <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>, and we use five inner and outer iterations in the S approach <inline-formula id="inf343">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g009.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="table" rid="T4">Table 4</xref> compares the solution of the splitting approach for different values of <inline-formula id="inf344">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the solution of the coupled approach using <inline-formula id="inf345">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms. Again, we use five inner and outer iterations <inline-formula id="inf346">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the splitting approach. We observe that as the size of <inline-formula id="inf347">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is decreased for the splitting approach, the difference between the two solutions decreases with a rate roughly equal to <inline-formula id="inf348">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that in this case, <inline-formula id="inf349">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms lead to instabilities for the splitting approach, so <inline-formula id="inf350">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms is the smallest time step considered.</p>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>TABLE 4</label>
<caption>
<p>Difference between the solution of the coupled approach (<inline-formula id="inf351">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf352">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf353">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf354">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with <inline-formula id="inf355">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms and the solution of the splitting approach (<inline-formula id="inf356">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf357">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf358">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf359">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) for a number of different values of <inline-formula id="inf360">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using five inner and outer iterations <inline-formula id="inf361">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th>
<inline-formula id="inf362">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (ms)</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf363">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf364">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf365">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf366">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>0.05</td>
<td align="center">1.64e&#x2212;01</td>
<td align="center">1.09e&#x2212;01</td>
<td align="center">1.09e&#x2212;01</td>
<td align="center">2.07e&#x2212;01</td>
</tr>
<tr>
<td>0.02</td>
<td align="center">7.10e&#x2212;02</td>
<td align="center">4.36e&#x2212;02</td>
<td align="center">4.35e&#x2212;02</td>
<td align="center">8.60e&#x2212;02</td>
</tr>
<tr>
<td>0.01</td>
<td align="center">3.50e&#x2212;02</td>
<td align="center">2.09e&#x2212;02</td>
<td align="center">2.09e&#x2212;02</td>
<td align="center">4.19e&#x2212;02</td>
</tr>
<tr>
<td>0.005</td>
<td align="center">1.59e&#x2212;02</td>
<td align="center">9.35e&#x2212;03</td>
<td align="center">9.32e&#x2212;03</td>
<td align="center">1.89e&#x2212;02</td>
</tr>
<tr>
<td>0.002</td>
<td align="center">4.03e&#x2212;03</td>
<td align="center">2.35e&#x2212;03</td>
<td align="center">2.34e&#x2212;03</td>
<td align="center">4.75e&#x2212;03</td>
</tr>
<tr>
<td>0.001</td>
<td align="center">4.26e&#x2212;06</td>
<td align="center">2.13e&#x2212;06</td>
<td align="center">2.13e&#x2212;06</td>
<td align="center">4.23e&#x2212;06</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn>
<p>The solutions are compared at <italic>t</italic> &#x3d; 2.5&#xa0;ms in a simulation of <inline-formula id="inf367">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> connected cells, and the parameters of the model are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Tables 1</xref> and <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, we investigate how the absolute value of the difference between the intracellular potentials, computed using the two solution methods, depends on the time step, <inline-formula id="inf368">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the number of iterations used for the coupling between the intracellular and extracellular domains, <inline-formula id="inf369">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the number of iterations used for the coupling between the interior of the cells, <inline-formula id="inf370">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this case, we use the same <inline-formula id="inf371">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the coupled and splitting approaches. In the first row of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, we observe that when only one inner and outer iteration is used in the splitting approach, the maximum difference between the solutions is in the range of 1&#x2013;10&#xa0;mV, and that the difference decreases as the time step is decreased. In the next rows, we observe that the difference between the solutions of the two methods decreases as we increase the number of iterations used in the splitting approach. For <inline-formula id="inf372">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms, we see that the maximum difference is decreased from about 8&#xa0;mV to about 1.5&#xa0;mV if <inline-formula id="inf373">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf374">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is increased to five. Moreover, if both <inline-formula id="inf375">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf376">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is set to five, the maximum difference decreases to less than 0.01&#xa0;mV. For <inline-formula id="inf377">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms and <inline-formula id="inf378">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms, we observe that the difference decreases more extensively when the number of outer iterations, <inline-formula id="inf379">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is increased to five than when the number of inner iterations, <inline-formula id="inf380">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is increased to five. Furthermore, when both are set to five the maximum difference is about <inline-formula id="inf381">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf382">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms and <inline-formula id="inf383">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf384">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Absolute values of the difference in <inline-formula id="inf385">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> computed using the coupled and splitting approaches for different combinations of the time step, <inline-formula id="inf386">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, number of outer iterations, <inline-formula id="inf387">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and number of inner iterations, <inline-formula id="inf388">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The solutions are compared in the center of the domain in the <italic>z</italic>-direction at <inline-formula id="inf389">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms, and the parameters used in the simulations are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Tables 1</xref> and <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g010.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> shows a similar comparison of the solutions of the membrane potential, <italic>v</italic>, at the center of the membrane of the center cell as a function of time. We consider three different time steps <inline-formula id="inf390">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms, <inline-formula id="inf391">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms and <inline-formula id="inf392">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms and some different combinations of the number of inner and outer iterations in the splitting algorithm. The upper panel of the figure shows the full upstroke of the action potential. In order to get a better impression of the differences between the solutions, the lower panel zooms in on the solution at the action potential peak. In the left panel, we observe that when only one iteration is used in the splitting approach <inline-formula id="inf393">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there are clearly visible differences between the solutions of the splitting approach and the coupled approach. However, in the next panels, we observe that when the number of iterations is increased, the difference between the solutions decreases, and for <inline-formula id="inf394">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the solutions of the coupled and splitting approaches are completely indistinguishable in the plots.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Comparison of <italic>v</italic> at the center of the membrane of the center cell as a function of time computed using the coupled and splitting approaches for different combinations of the time step, <inline-formula id="inf395">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, number of outer iterations, <inline-formula id="inf396">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and number of inner iterations, <inline-formula id="inf397">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The upper panel shows the full upstroke of the action potential, and the lower panel focuses on the action potential peak. The parameters used in the simulations are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Tables 1</xref> and <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g011.tif"/>
</fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>, we examine how the maximum difference in the computed intracellular potentials between the coupled and splitting approaches decreases as the number of iterations used in the splitting approach increases. In the left panel, we fix the number of inner iterations, <inline-formula id="inf398">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at one or five and vary the number of outer iterations, <inline-formula id="inf399">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, between one and eight. We observe that the difference between the solutions of the two methods decreases as the number of outer iterations, <inline-formula id="inf400">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, increases. In addition, the difference is smaller if the number of inner iterations, <inline-formula id="inf401">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is five than if it is one. In the right panel, we fix the number of outer iterations, <inline-formula id="inf402">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at one or five and vary the number of inner iterations, <inline-formula id="inf403">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, between one and eight. In this case we observe that increasing <inline-formula id="inf404">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> above two or three when <inline-formula id="inf405">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is fixed at one or five, respectively, does not seem to increase the accuracy of the splitting approach.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Maximum absolute difference in <inline-formula id="inf406">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf407">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms computed using the coupled and splitting approaches as the number of outer and inner iterations, <inline-formula id="inf408">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf409">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are increased. In the left panel, we increase the number of outer iterations, <inline-formula id="inf410">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and consider the two cases <inline-formula id="inf411">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf412">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the right panel, we increase the number of inner iterations, <inline-formula id="inf413">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and consider the two cases <inline-formula id="inf414">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf415">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The parameters used in the simulations are specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Tables 1</xref> and <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-08-579461-g012.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Shared-Memory Parallel Implementation of the Splitting Algorithm</title>
<p>In this section, we will describe a parallel implementation of the splitting algorithm. The parallel implementation targets a hardware platform with a shared-memory system. Such parallel platforms are currently widely available, e.g., a server or desktop computer that has multiple sockets each with tens of CPU cores. The entire memory is composed of the memory domains that are directly connected to the sockets, allowing each CPU core to access any address in the whole memory space. The shared address space considerably eases the parallelization. However, care in programming is needed to maximize data locality, because accessing non-local parts of the memory is more costly than accessing the local part.</p>
<p>Important details of programming and performance enhancement will be discussed below, separately for the three decoupled numerical components of the splitting algorithm. An underlying principle is to use, whenever possible, existing software libraries for the different components. Such software libraries either use multiple threads to parallelize the computation internally, or are serially invoked inside a loop of parallel iterations.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1. The Intracellular Subdomains</title>
<p>Recall that the intracellular space consists of the individual excitable cells. Due to the splitting algorithm, the intracellular systems associated with the cells can be solved independently. This immediately brings a cell-level parallelism, because the individual intracellular systems can be assigned to the different CPU cores. With a spatial resolution of <inline-formula id="inf416">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> there are about 5,300 degrees of freedom in the linear system for computing the intracellular potential of each cell. Such a small-size system suits well for a direct solver, see, e.g., Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>, for which the LU factorization is an excellent choice. Moreover, since each intracellular matrix <inline-formula id="inf417">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that arises from the finite difference discretization remains unchanged throughout an entire EMI simulation, the factorization step is executed only once. The resulting lower and upper triangular matrices, <inline-formula id="inf418">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf419">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are stored in memory, so that they are used in a forward-backward substitution procedure every time a linear system of the form <inline-formula id="inf420">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> associated with an intracellular subdomain needs to be solved.</p>
<p>It is possible to adopt several threads to parallelize each forward-backward substitution step, but the amount of parallelism at this level is limited. Such a parallelization approach is thus not recommended unless the number of available CPU cores greatly exceeds the number of cells.</p>
<p>For computing the LU factorization and performing forward-back substitutions, we have chosen the serial version of the SuperLU library [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. We assign each of the linear systems <inline-formula id="inf421">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to an OpenMP thread so that multiple threads can work in parallel solving different linear systems. SuperLU was configured to use the included BLAS implementation, CBLAS, for the linear algebra routines. It is important that the BLAS implementation used by SuperLU is &#x201c;thread safe&#x201d; (i.e., that it supports being called from multiple threads) and does not attempt any parallelization of its own, as this interferes with the cell-level parallelization strategy employed here.</p>
<p>Apart from the aforementioned advantage that the LU factorization of each <inline-formula id="inf422">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is only computed once, there is another opportunity for performance enhancement. This is true as long as we are interested in studying excitable cells of the same shape and size. Under such an assumption, the number of unique intracellular matrices is limited. More specifically, if the excitable cells form a rectangular 2D grid, then for each of the four sides, a cell can either be connected to a neighboring cell via a gap junction or not, leading to some slight changes in the cell&#x2019;s geometry and boundary condition. As such, there are at most <inline-formula id="inf423">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> unique matrices, and in the examples in this paper where the cells form an <inline-formula id="inf424">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rectangular grid with <inline-formula id="inf425">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there are only 9 different matrices (one for each of the four corners, one for each of the four sides, and one for the inner cells). To save memory usage, we can thus group together the linear systems sharing the same matrix <inline-formula id="inf426">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and instead solve <inline-formula id="inf427">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <italic>X</italic> and <italic>B</italic> are matrices that contain, respectively, all the relevant solution vectors and right-hand sides. Furthermore, we only need to compute and store the LU factorization for each of the 9 unique matrices. In order to ensure good data locality, the CPU cores that are assigned to the same intracellular matrix <inline-formula id="inf428">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> should preferably have direct access to the memory domain where <inline-formula id="inf429">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf430">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reside.</p>
<p>One remark is in order here. Although we discuss in this paper a two dimensional collection of cells, it is important to keep in mind that all the cell geometries are in 3D and all cells are surrounded by a 3D extracellular space. In fact, the EMI model for a mesh of cells can only be applied in 3D because in 2D the extracellular space would become disconnected.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2. The Extracellular Domain</title>
<p>The splitting algorithm requires the solution of a 3D Laplace equation for the entire extracellular domain with Neumann boundary conditions on the cell membranes. With a careful treatment of the boundary conditions, the finite difference discretization produces a symmetric and positive-definite matrix for the linear system associated with the extracellular domain. These properties of the matrix permit the use of a conjugate gradient (CG) iterative solver with an algebraic multigrid (AMG) preconditioner to solve the linear system. Under optimal conditions, the CG&#x2b;AMG solver should require a constant number of iterations, irrespective of the number of degrees of freedom in the linear system, resulting in a solution time that grows linearly with the size of the linear system [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>].</p>
<p>We used the CG and AMG implementations provided by ViennaCL [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>] in our simulations, as ViennaCL supports shared-memory parallelization via OpenMP. The termination criterion <inline-formula id="inf431">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was used. The coarsening method inside AMG was set to maximum independent set (MIS) [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>], and the interpolation method was set to smoothed aggregation. Additionally, the Jacobi smoother weight was set to 0.85 as this value seemed to result in the lowest number of iterations.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3. The Membrane</title>
<p>On each mesh node along the membrane, the ODE system given in Step 1 of Algorithm 2 is solved with a forward Euler scheme using a substepping time step <inline-formula id="inf432">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We also implemented a first-order generalized Rush&#x2013;Larsen (GRL1) scheme, and found this theoretically more stable scheme to take about twice the computing time of forward Euler. Since the forward Euler scheme produced stable solutions for all the numerical experiments reported in this paper, the GRL1 scheme was not used. Within each time step, the ODE model can be solved independently on each membrane node, hence there is ample parallelism. We used the Gotran code generator [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>] to generate C code for solving a single step for both the forward Euler and GRL1 schemes. The auto-generated code was then augmented with OpenMP directives enabling shared-memory parallel execution.</p>
<p>When initializing the memory for the ODE-model&#x2019;s state variables and parameters, we perform a so-called &#x201c;first touch&#x201d; to ensure that all CPU cores work on the parts of the memory that are located closest to the cores in terms of connectivity. This step is important for achieving proper scaling on modern servers where the system memory is typically split into multiple NUMA (non-uniform memory access) domains.</p>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>4.4. Hardware Platform Setup</title>
<p>Two hardware testbeds were used to measure the performance of our parallel solver that implements the splitting algorithm. The specifications are listed in <xref ref-type="table" rid="T5">Table 5</xref>. The first testbed (System A) is a dual-socket server housing two AMD EPYC 7601 32-core CPUs, each configured with 8-channel memory operating at 2666&#xa0;MT/s. This server has 2&#xa0;TiB of memory in total. The second testbed (System B) is a quad-socket server with four Intel Xeon Platinum 8,168 24-core CPUs, each configured with 6-channel memory operating at 2,666&#xa0;MT/s. The total memory size is 384&#xa0;GiB. Notably, System A has four NUMA domains per socket,<xref ref-type="fn" rid="FN2">
<sup>2</sup>
</xref> whereas System B only has one NUMA domain per socket. Both systems support 2-way simultaneous multi-threading (SMT), presenting two logical processors to the operating system for each physical CPU core. Our hardware test systems are arguably in the high end of the present-day CPU server market and thus allow us to explore the limits of what can be achieved in a shared-memory environment. Simulations with an even larger number of cells, or a finer resolution inside each cell, will eventually require an enhanced parallel simulator capable of utilizing multiple nodes on a distributed-memory system. Speedup due to increasing the number of nodes used can be expected as long as the communication overhead does not exceed the computation time per node.</p>
<table-wrap id="T5" position="float">
<label>TABLE 5</label>
<caption>
<p>Specifications of the two servers used for parallel performance measurements.</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th>Metric</th>
<th align="center">System A</th>
<th align="center">System B</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Sockets</td>
<td align="center">2</td>
<td align="center">4</td>
</tr>
<tr>
<td>NUMA domains</td>
<td align="center">8 (4 per socket)</td>
<td align="center">4 (1 per socket)</td>
</tr>
<tr>
<td>CPU model</td>
<td align="center">AMD EPYC 7601</td>
<td align="center">Intel Xeon Platinum 8168</td>
</tr>
<tr>
<td>CPU base frequency</td>
<td align="center">2.2&#xa0;GHz</td>
<td align="center">2.7&#xa0;GHz</td>
</tr>
<tr>
<td>CPU cores (total)</td>
<td align="center">64</td>
<td align="center">96</td>
</tr>
<tr>
<td>Memory speed</td>
<td align="center">2666&#xa0;MT/s</td>
<td align="center">2666&#xa0;MT/s</td>
</tr>
<tr>
<td>Memory channels (total)</td>
<td align="center">16</td>
<td align="center">24</td>
</tr>
<tr>
<td>Memory size (total)</td>
<td align="center">2&#xa0;TiB</td>
<td align="center">384&#xa0;GiB</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Our solver is mainly written in the Python programming language, but the most performance-critical parts are executed in C code which we call from Python via the ctypes module. The resulting multi-threaded parallel solver permits rapid prototyping while also being reasonably performant. In the results presented below, we have set environment variables to impose a &#x201c;thread binding&#x201d; that fixes the mapping of OpenMP threads to the logical processors such that the same core will work on the same part of the memory for every time step. All logical processors were assigned one thread each, resulting in 128 threads for System A and 192 threads for System B.</p>
</sec>
<sec id="s4-5">
<title>4.5. Performance Results</title>
<p>The mesh resolution was set to <inline-formula id="inf433">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and we use <inline-formula id="inf434">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the splitting algorithm. <inline-formula id="inf435">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of unknowns in the linear system for the extracellular domain. <inline-formula id="inf436">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CG</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mean number of preconditioned CG iterations required for the extracellular system. The time spent solving each of the three domains (<bold>E</bold>xtracellular, <bold>M</bold>embrane and <bold>I</bold>ntracellular) is listed as well as the total across all domains. On the right side, the times are divided by the number of cells to demonstrate the asymptotic scaling.</p>
<p>
<xref ref-type="table" rid="T6">Tables 6</xref> and <xref ref-type="table" rid="T7">7</xref> show the time usage per time step needed for 16 cells up to 65,536 and 16,348 cells for Systems A and B, respectively (The memory size on System B is not large enough to simulate <inline-formula id="inf437">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>256</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>256</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells.) More specifically, the tables report the average time usage per time step for time steps 6&#x2013;10 in the simulation. As the number of cells grows, we can see the solution time per cell converging toward a constant. The number of AMG-preconditioned CG iterations for the extracellular system grows by about 71% while the number of unknowns increases by more than a factor of 2,800. System B outperforms System A for all the cases, which can be attributed to it having 50% higher theoretical memory bandwidth, 50% more cores, and higher clock speed than System A. Additionally, architectural differences between the CPUs could also have played a role.</p>
<table-wrap id="T6" position="float">
<label>TABLE 6</label>
<caption>
<p>Time required to solve a time step of size <inline-formula id="inf438">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms for geometries ranging from <inline-formula id="inf439">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells to <inline-formula id="inf440">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>256</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>256</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells using System A (see <xref ref-type="sec" rid="s4-4">Section 4.4</xref>).</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th rowspan="2" align="center">Cells</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf441">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf442">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CG</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th colspan="4" align="center">Time usage for all cells (s)</th>
<th colspan="4" align="center">Time per cell (ms)</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">E</th>
<th align="center">M</th>
<th align="center">I</th>
<th align="center">Total</th>
<th align="center">E</th>
<th align="center">M</th>
<th align="center">I</th>
<th align="center">Total</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf443">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf444">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">21.1</td>
<td align="char" char=".">0.22</td>
<td align="char" char=".">0.03</td>
<td align="char" char=".">0.10</td>
<td align="char" char=".">0.35</td>
<td align="char" char=".">13.75</td>
<td align="char" char=".">1.76</td>
<td align="char" char=".">6.24</td>
<td align="char" char=".">21.75</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf445">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf446">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>5.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">21.0</td>
<td align="char" char=".">0.34</td>
<td align="char" char=".">0.10</td>
<td align="char" char=".">0.13</td>
<td align="char" char=".">0.57</td>
<td align="char" char=".">5.30</td>
<td align="char" char=".">1.56</td>
<td align="char" char=".">2.07</td>
<td align="char" char=".">8.92</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf447">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf448">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">28.6</td>
<td align="char" char=".">1.20</td>
<td align="char" char=".">0.45</td>
<td align="char" char=".">0.20</td>
<td align="char" char=".">1.85</td>
<td align="char" char=".">4.68</td>
<td align="char" char=".">1.77</td>
<td align="char" char=".">0.79</td>
<td align="char" char=".">7.24</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf449">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf450">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.0</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">28.6</td>
<td align="char" char=".">3.95</td>
<td align="char" char=".">1.57</td>
<td align="char" char=".">0.46</td>
<td align="char" char=".">5.98</td>
<td align="char" char=".">3.86</td>
<td align="char" char=".">1.53</td>
<td align="char" char=".">0.45</td>
<td align="char" char=".">5.84</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf451">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>64</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf452">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.7</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">33.2</td>
<td align="char" char=".">15.38</td>
<td align="char" char=".">6.17</td>
<td align="char" char=".">1.90</td>
<td align="char" char=".">23.45</td>
<td align="char" char=".">3.75</td>
<td align="char" char=".">1.51</td>
<td align="char" char=".">0.46</td>
<td align="char" char=".">5.72</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf453">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>128</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>128</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf454">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">35.5</td>
<td align="char" char=".">64.53</td>
<td align="char" char=".">26.10</td>
<td align="char" char=".">8.11</td>
<td align="char" char=".">98.74</td>
<td align="char" char=".">3.94</td>
<td align="char" char=".">1.59</td>
<td align="char" char=".">0.50</td>
<td align="char" char=".">6.03</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf455">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>256</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>256</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf456">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4.3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">35.9</td>
<td align="char" char=".">273.35</td>
<td align="char" char=".">211.40</td>
<td align="char" char=".">35.45</td>
<td align="char" char=".">520.20</td>
<td align="char" char=".">4.17</td>
<td align="char" char=".">3.23</td>
<td align="char" char=".">0.54</td>
<td align="char" char=".">7.94</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn>
<p>The mesh resolution was set to <inline-formula id="inf457">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and we use <inline-formula id="inf458">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the splitting algorithm. <inline-formula id="inf459">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of unknowns in the linear system for the extracellular domain. <inline-formula id="inf460">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CG</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mean number of preconditioned CG iterations required for the extracellular system. The time spent solving each of the three domains (<bold>E</bold>xtracellular, <bold>M</bold>embrane and <bold>I</bold>ntracellular) is listed as well as the total across all domains. On the right side, the times are divided by the number of cells to demonstrate the asymptotic scaling.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<table-wrap id="T7" position="float">
<label>TABLE 7</label>
<caption>
<p>Time required to solve a time step of size <inline-formula id="inf461">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms for geometries ranging from <inline-formula id="inf462">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells to <inline-formula id="inf463">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>128</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>128</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells using System B (see <xref ref-type="sec" rid="s4-4">Section 4.4</xref>).</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th rowspan="2">Cells</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf464">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf465">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CG</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th colspan="4" align="center">Time usage for all cells (s)</th>
<th colspan="4" align="center">Time per cell (ms)</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">E</th>
<th align="center">M</th>
<th align="center">I</th>
<th align="center">Total</th>
<th align="center">E</th>
<th align="center">M</th>
<th align="center">I</th>
<th align="center">Total</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf466">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf467">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">21.1</td>
<td align="char" char=".">0.21</td>
<td align="char" char=".">0.01</td>
<td align="char" char=".">0.05</td>
<td align="char" char=".">0.27</td>
<td align="char" char=".">12.90</td>
<td align="char" char=".">0.51</td>
<td align="char" char=".">3.35</td>
<td align="char" char=".">16.76</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf468">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf469">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>5.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">21.0</td>
<td align="char" char=".">0.55</td>
<td align="char" char=".">0.03</td>
<td align="char" char=".">0.06</td>
<td align="char" char=".">0.64</td>
<td align="char" char=".">8.54</td>
<td align="char" char=".">0.46</td>
<td align="char" char=".">0.95</td>
<td align="char" char=".">9.95</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf470">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf471">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">28.6</td>
<td align="char" char=".">0.85</td>
<td align="char" char=".">0.13</td>
<td align="char" char=".">0.15</td>
<td align="char" char=".">1.13</td>
<td align="char" char=".">3.32</td>
<td align="char" char=".">0.52</td>
<td align="char" char=".">0.59</td>
<td align="char" char=".">4.43</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf472">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf473">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.0</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">28.6</td>
<td align="char" char=".">2.92</td>
<td align="char" char=".">0.52</td>
<td align="char" char=".">0.35</td>
<td align="char" char=".">3.79</td>
<td align="char" char=".">2.86</td>
<td align="char" char=".">0.50</td>
<td align="char" char=".">0.34</td>
<td align="char" char=".">3.70</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf474">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>64</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf475">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.7</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">33.2</td>
<td align="char" char=".">12.04</td>
<td align="char" char=".">2.10</td>
<td align="char" char=".">1.32</td>
<td align="char" char=".">15.46</td>
<td align="char" char=".">2.94</td>
<td align="char" char=".">0.51</td>
<td align="char" char=".">0.32</td>
<td align="char" char=".">3.77</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf476">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>128</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>128</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf477">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">35.5</td>
<td align="char" char=".">47.09</td>
<td align="char" char=".">9.40</td>
<td align="char" char=".">5.37</td>
<td align="char" char=".">61.86</td>
<td align="char" char=".">2.87</td>
<td align="char" char=".">0.57</td>
<td align="char" char=".">0.33</td>
<td align="char" char=".">3.78</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>In <xref ref-type="table" rid="T8">Table 8</xref>, we consider the case of a 4&#xa0;&#x3bc;m resolution for System A, and we are in this case able to perform simulations of up to 512 <inline-formula id="inf478">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 256 cells. Note that in order to use a 4&#xa0;&#x3bc;m resolution, the tissue geometry has been slightly altered. The distance from the cells to the extracellular boundary in the <italic>z</italic>-direction was extended to 8&#xa0;&#x3bc;m, <inline-formula id="inf479">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was of size 104&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf480">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 16&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf481">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 16&#xa0;&#x3bc;m, and <inline-formula id="inf482">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>W</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf483">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>E</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf484">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>S</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf485">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>N</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> had size 8&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf486">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 8&#xa0;&#x3bc;m <inline-formula id="inf487">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 8&#xa0;&#x3bc;m (see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>).</p>
<table-wrap id="T8" position="float">
<label>TABLE 8</label>
<caption>
<p>Time required to solve a time step of size <inline-formula id="inf488">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;ms for geometries ranging from <inline-formula id="inf489">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells to <inline-formula id="inf490">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>512</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>256</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells using System A (see <xref ref-type="sec" rid="s4-4">Section 4.4</xref>).</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th rowspan="2">Cells</th>
<th rowspan="2">
<inline-formula id="inf491">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf492">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CG</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th colspan="4" align="center">Time usage for all cells (s)</th>
<th colspan="4" align="center">Time per cell (ms)</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">E</th>
<th align="center">M</th>
<th align="center">I</th>
<th align="center">Total</th>
<th align="center">E</th>
<th align="center">M</th>
<th align="center">I</th>
<th align="center">Total</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf493">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf494">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.9</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">17.2</td>
<td align="char" char=".">0.20</td>
<td align="char" char=".">0.01</td>
<td align="char" char=".">0.01</td>
<td align="char" char=".">0.22</td>
<td align="char" char=".">12.30</td>
<td align="char" char=".">0.54</td>
<td align="char" char=".">0.84</td>
<td align="char" char=".">13.67</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf495">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf496">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">17.7</td>
<td align="char" char=".">0.23</td>
<td align="char" char=".">0.03</td>
<td align="char" char=".">0.02</td>
<td align="char" char=".">0.28</td>
<td align="char" char=".">3.55</td>
<td align="char" char=".">0.53</td>
<td align="char" char=".">0.34</td>
<td align="char" char=".">4.43</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf497">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf498">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>5.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">21.5</td>
<td align="char" char=".">0.49</td>
<td align="char" char=".">0.11</td>
<td align="char" char=".">0.05</td>
<td align="char" char=".">0.65</td>
<td align="char" char=".">1.92</td>
<td align="char" char=".">0.41</td>
<td align="char" char=".">0.21</td>
<td align="char" char=".">2.55</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf499">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf500">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.0</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">23.6</td>
<td align="char" char=".">1.87</td>
<td align="char" char=".">0.39</td>
<td align="char" char=".">0.14</td>
<td align="char" char=".">2.41</td>
<td align="char" char=".">1.83</td>
<td align="char" char=".">0.38</td>
<td align="char" char=".">0.14</td>
<td align="char" char=".">2.35</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf501">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>64</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf502">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.9</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">23.9</td>
<td align="char" char=".">6.70</td>
<td align="char" char=".">1.35</td>
<td align="char" char=".">0.57</td>
<td align="char" char=".">8.62</td>
<td align="char" char=".">1.64</td>
<td align="char" char=".">0.33</td>
<td align="char" char=".">0.14</td>
<td align="char" char=".">2.10</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf503">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>128</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>128</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf504">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">30.3</td>
<td align="char" char=".">24.32</td>
<td align="char" char=".">5.81</td>
<td align="char" char=".">2.27</td>
<td align="char" char=".">32.40</td>
<td align="char" char=".">1.48</td>
<td align="char" char=".">0.35</td>
<td align="char" char=".">0.14</td>
<td align="char" char=".">1.98</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf505">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>256</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>256</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf506">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">30.9</td>
<td align="char" char=".">78.36</td>
<td align="char" char=".">22.87</td>
<td align="char" char=".">9.93</td>
<td align="char" char=".">111.16</td>
<td align="char" char=".">1.20</td>
<td align="char" char=".">0.35</td>
<td align="char" char=".">0.15</td>
<td align="char" char=".">1.70</td>
</tr>
<tr>
<td>
<inline-formula id="inf507">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>512</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>256</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf508">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">31.8</td>
<td align="char" char=".">142.04</td>
<td align="char" char=".">44.05</td>
<td align="char" char=".">19.91</td>
<td align="char" char=".">206.00</td>
<td align="char" char=".">1.08</td>
<td align="char" char=".">0.34</td>
<td align="char" char=".">0.15</td>
<td align="char" char=".">1.57</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The mesh resolution was set to <inline-formula id="inf509">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and we use <inline-formula id="inf510">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>it</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the splitting algorithm. <inline-formula id="inf511">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of unknowns in the linear system for the extracellular domain. <inline-formula id="inf512">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CG</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mean number of preconditioned CG iterations required for the extracellular system. The time spent solving each of the three domains (Extracellular, Membrane and Intracellular) is listed as well as the total across all domains. On the right side, the times are divided by the number of cells to demonstrate the asymptotic scaling.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s5">
<title>5. Discussion</title>
<p>Accurate modeling of excitable cells is important in order to understand how collections of such cells work. The EMI model provides a promising framework for such simulations, but it is challenging from a computational point of view. In this paper, we have developed an optimal splitting-based method that scales perfectly with the number of cells in the simulations. The main result of the paper is that we have been able to formulate a solution strategy that relies on intermediate steps that all are covered by standard theory in scientific computing.</p>
<p>We have seen in <xref ref-type="table" rid="T8">Table 8</xref> that a collection of 512 <inline-formula id="inf513">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf514">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>256</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>131</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>072</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cells, with a mesh resolution of <inline-formula id="inf515">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, leads to linear systems with about 2.5<inline-formula id="inf516">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> unknowns. In comparison, we found that the sinus node of the mouse heart would require about 3.5<inline-formula id="inf517">
<mml:math>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf518">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> unknowns. Since the computing time scales linearly with the number of nodes, we estimate based on <xref ref-type="table" rid="T8">Table 8</xref> that the sinus node of the mouse would require about 3&#xa0;s of computing time per time step. A complete simulation of 300 ms would thus need about 24&#xa0;hours of computing time (with &#x0394;<italic>t</italic> &#x003D; 0.01 ms). This is a rough estimate of course, but it still illustrates that accurate simulation of physiologically interesting nodes is within reach.</p>
<p>The volume of the mouse ventricles is about 100&#xa0;mm<sup>3</sup> (see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>) or about 440 times larger than the mouse sinus node. In order to be able to simulate mouse ventricles within a 24-hour wall-clock time frame, we therefore would need a computer that is about 440 times faster than System A above, assuming that linear scaling would hold for even larger systems. This is actually well within today&#x2019;s technological capability, because the world&#x2019;s most powerful supercomputer at the time of writing, named <italic>Fugaku</italic> (see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B43 B44">43 and 44</xref>), consists of 158,976 computers, each more powerful than System A (if we consider the available memory bandwidth). Although theoretically feasible, it remains to be seen whether a full action potential of a complete mouse heart can be simulated based on the EMI model.</p>
<p>The computing time may be reduced by applying adaptive time stepping and the number of nodes may be reduced by using an adaptive finite element method instead of the finite difference method. However, the finite difference scheme is exceptionally well suited for the computer systems A and B and fewer mesh points in the finite element method could therefore result in increased computing time per computational node (see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>). A possible path of future work can be to develop a distributed-memory parallel implementation of the splitting algorithm, so that the number of cells to be simulated is not limited by the computing speed and/or memory capacity of a single shared-memory platform.</p>
<p>A weakness of the current implementation is that, whereas the finite difference method is well suited for representing very simple geometries, it is less suited for complex geometrical shapes. For instance, representation of real geometries of the heart, and also including the fiber orientation of the heart muscle is necessary in many applications; see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="B1 B45 B46">1, 45, and 46</xref>. In order to analyze problems with complex geometries using the EMI model, we will need to use the finite element method. Also, representing realistic geometries of individual cells is very challenging using the finite difference method, but will be easier using the finite element method. A finite element method based on the operator splitting scheme derived in the present report is currently under development. This code will clearly offer greater flexibility with respect to geometries, but the linear systems are less structured and therefore harder to solve in an optimal manner.</p>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>6. Conclusion</title>
<p>We have introduced a splitting scheme for the linear part of the EMI equations that allows us to use well developed theory for solving linear systems arising from the discretization of linear, elliptic partial differential equations. The resulting method is stable and is optimal in the sense that the CPU efforts scale linearly with the number of computational nodes. The method therefore enables simulations using far larger computing facilities than has been available in the present work.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author Contributions</title>
<p>Operator splitting algorithm: KJ, AT. Parallelization: KH, XC. Programming: KJ, KH. Simulations: KJ, KH. All authors contributed to the writing of the paper.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>The research presented in this paper has benefited from the Experimental Infrastructure for Exploration of Exascale Computing (eX3), which is financially supported by the Research Council of Norway under contract 270053.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Franzone</surname>
<given-names>PC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pavarino</surname>
<given-names>LF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scacchi</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Mathematical cardiac electrophysiology.</source> <publisher-loc>Cham, Switzerland</publisher-loc>: <publisher-name>Springer International Publishing</publisher-name> (<year>2014</year>). p. <fpage>397</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sundnes</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lines</surname>
<given-names>GT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nielsen</surname>
<given-names>BF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mardal</surname>
<given-names>K-A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Computing the electrical activity of the heart.</source> <publisher-loc>Heidelberg, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2006</year>). p. <fpage>318</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Whiteley</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Physiology driven adaptivity for the numerical solution of the bidomain equations</article-title>. <source>Ann Biomed Eng</source> (<year>2007</year>). <volume>35</volume>(<issue>9</issue>):<fpage>1510</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-007-9337-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mardal</surname>
<given-names>K-A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nielsen</surname>
<given-names>BF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An order optimal solver for the discretized bidomain equations</article-title>. <source>Numer Lin Algebra Appl</source> (<year>2007</year>). <volume>14</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>83</fpage>&#x2013;<lpage>98</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nla.501</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Linge</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sundnes</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hanslien</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lines</surname>
<given-names>GT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Numerical solution of the bidomain equations</article-title>. <source>Phil Trans Roy Soc Lond</source> (<year>1895</year>). <volume>367</volume>:<fpage>1931</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.166300</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cervi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spiteri</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>High-order operator splitting for the bidomain and monodomain models</article-title>. <source>SIAM J Sci Comput</source> (<year>2018</year>). <volume>40</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>A769</fpage>&#x2013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/17m1137061</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ottino</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scacchi</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Bpx preconditioners for the bidomain model of electrocardiology</article-title>. <source>J Comput Appl Math</source> (<year>2015</year>). <volume>285</volume>:<fpage>151</fpage>&#x2013;<lpage>68</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cam.2015.02.011</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe6;ger</surname>
<given-names>KH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuchta</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mardal</surname>
<given-names>K-A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rognes</surname>
<given-names>ME</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A cell-based framework for numerical modeling of electrical conduction in cardiac tissue</article-title>. <source>Front Phys</source> (<year>2017</year>). <volume>5</volume>:<fpage>48</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2017.00048</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>J&#xe6;ger</surname>
<given-names>KH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Edwards</surname>
<given-names>AG</given-names>
</name>
<name>
<surname>McCulloch</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Properties of cardiac conduction in a cell-based computationalmodel</article-title>. <source>PLoS Comput Biol</source> (<year>2019</year>). <volume>15</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>e1007042</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1007042</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe6;ger</surname>
<given-names>KH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lines</surname>
<given-names>GT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paszkowski</surname>
<given-names>&#x141;</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sundnes</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Edwards</surname>
<given-names>AG</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>An evaluation of the accuracy of classical models for computing the membrane potential and extracellular potential for neurons</article-title>. <source>Front Comput Neurosci</source> (<year>2017</year>). <volume>11</volume>:<fpage>27</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2017.00027</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hogues</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leon</surname>
<given-names>LJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roberge</surname>
<given-names>FA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A model study of electric field interactions between cardiac myocytes</article-title>. <source>IEEE Trans Biomed Eng</source> (<year>1992</year>). <volume>39</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>1232</fpage>&#x2013;<lpage>43</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/10.184699</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Krassowska</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neu</surname>
<given-names>JC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Response of a single cell to an external electric field</article-title>. <source>Biophys J</source> (<year>1994</year>). <volume>66</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>1768</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0006-3495(94)80971-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ying</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henriquez</surname>
<given-names>CS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hybrid finite element method for describing the electrical response of biological cells to applied fields</article-title>. <source>IEEE Trans Biomed Eng</source> (<year>2007</year>). <volume>54</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>611</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tbme.2006.889172</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Agudelo-Toro</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neef</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Computationally efficient simulation of electrical activity at cell membranes interacting with self-generated and externally imposed electric fields</article-title>. <source>J Neural Eng</source> (<year>2013</year>). <volume>10</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>026019</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1741-2560/10/2/026019</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Roberts</surname>
<given-names>SF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stinstra</surname>
<given-names>JG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henriquez</surname>
<given-names>CS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Effect of nonuniform interstitial space properties on impulse propagation: a discrete multidomain model</article-title>. <source>Biophys J</source> (<year>2008</year>). <volume>95</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>3724</fpage>&#x2013;<lpage>37</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1529/biophysj.108.137349</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stinstra</surname>
<given-names>JG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henriquez</surname>
<given-names>CS</given-names>
</name>
<name>
<surname>MacLeod</surname>
<given-names>RS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Comparison of microscopic and bidomain models of anisotropic conduction</article-title>. In <source>Computers in cardiology</source>. <publisher-loc>Park City, UT</publisher-loc>: <publisher-name>IEEE</publisher-name> (<year>2009</year>). p. <fpage>657</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stinstra</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>MacLeod</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henriquez</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Incorporating histology into a 3D microscopic computer model of myocardium to study propagation at a cellular level</article-title>. <source>Ann Biomed Eng</source> (<year>2010</year>). <volume>38</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1399</fpage>&#x2013;<lpage>414</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-009-9883-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stinstra</surname>
<given-names>JG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roberts</surname>
<given-names>SF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pormann</surname>
<given-names>JB</given-names>
</name>
<name>
<surname>MacLeod</surname>
<given-names>RS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henriquez</surname>
<given-names>CS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A model of 3D propagation in discrete cardiac tissue</article-title>. In <source>Computers in cardiology</source>. <publisher-loc>Valencia, Spain</publisher-loc>: <publisher-name>IEEE</publisher-name> (<year>2006</year>). p. <fpage>41</fpage>&#x2013;<lpage>44</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stinstra</surname>
<given-names>JG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hopenfeld</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>MacLeod</surname>
<given-names>RS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On the passive cardiac conductivity</article-title>. <source>Ann Biomed Eng</source> (<year>2005</year>). <volume>33</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>1743</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-005-7257-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kucera</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rohr</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rudy</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Localization of sodium channels in intercalated disks modulates cardiac conduction</article-title>. <source>Circ Res</source> (<year>2002</year>). <volume>91</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>1176</fpage>&#x2013;<lpage>82</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1161/01.res.0000046237.54156.0a</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tsumoto</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ashihara</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haraguchi</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nakazawa</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kurachi</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Roles of subcellular Na &#x2b; channel distributions in the mechanism of cardiac conduction</article-title>. <source>Biophys J</source> (<year>2011</year>). <volume>100</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>554</fpage>&#x2013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bpj.2010.12.3716</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Louch</surname>
<given-names>WE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sejersted</surname>
<given-names>OM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swift</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>There goes the neighborhood: pathological alterations in t-tubule morphology and consequences for cardiomyocyte Ca<sup>2&#x2b;</sup> handling</article-title>. <source>BioMed Res Int</source> (<year>2010</year>). <volume>2010</volume>:<fpage>503906</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2010/503906</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Spach</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heidlage</surname>
<given-names>JF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dolber</surname>
<given-names>PC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barr</surname>
<given-names>RC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Electrophysiological effects of remodeling cardiac gap junctions and cell size</article-title>. <source>Circ Res</source> (<year>2000</year>). <volume>86</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>302</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1161/01.res.86.3.302</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Veeraraghavan</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salama</surname>
<given-names>ME</given-names>
</name>
<name>
<surname>Poelzing</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Interstitial volume modulates the conduction velocity-gap junction relationship</article-title>. <source>Am J Physiol Heart Circ Physiol</source> (<year>2012</year>). <volume>302</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>H278</fpage>&#x2013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/ajpheart.00868.2011</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Veeraraghavan</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gourdie</surname>
<given-names>RG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Poelzing</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mechanisms of cardiac conduction: a history of revisions</article-title>. <source>Am J Physiol Heart Circ Physiol</source> (<year>2014</year>). <volume>306</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>H619</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/ajpheart.00760.2013</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niederer</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mitchell</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Plank</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Simulating human cardiac electrophysiology on clinical time-scales</article-title>. <source>Front Physiol</source> (<year>2011</year>). <volume>2</volume>(<issue>14</issue>):<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2011.00014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Csepe</surname>
<given-names>TA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hansen</surname>
<given-names>BJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ning</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lidiya</surname>
<given-names>VS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Human sinoatrial node structure: 3D microanatomy of sinoatrial conduction pathways</article-title>. <source>Prog Biophys Mol Biol</source> (<year>2016</year>). <volume>120</volume>(<issue>1&#x2013;3</issue>):<fpage>14</fpage>&#x2013;<lpage>178</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.pbiomolbio.2015.12.011</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noble</surname>
<given-names>PJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohamed</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dobrzynski</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boyett</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Role of pacemaking current in cardiac nodes: insights from a comparative study of sinoatrial node and atrioventricular node</article-title>. <source>Prog Biophys Mol Biol</source> (<year>2008</year>). <volume>96</volume>(<issue>1&#x2013;3</issue>):<fpage>294</fpage>&#x2013;<lpage>304</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.pbiomolbio.2007.07.009</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Benzi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Preconditioning techniques for large linear systems: a survey</article-title>. <source>J Comput Phys</source> (<year>2002</year>). <volume>182</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>418</fpage>&#x2013;<lpage>77</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jcph.2002.7176</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mele</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ringh</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>David</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Izzo</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Upadhyaya</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elias</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Preconditioning for linear systems</source> (<year>2020</year>). </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mardal</surname>
<given-names>K-A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Winther</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Preconditioning discretizations of systems of partial differential equations</article-title>. <source>Numer Lin Algebra Appl</source> (<year>2011</year>). <volume>18</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nla.716</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wathen</surname>
<given-names>AJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Preconditioning</article-title>. <source>Acta Numerica</source> (<year>2015</year>). <volume>24</volume>:<fpage>329</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0962492915000021</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grandi</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pasqualini</surname>
<given-names>FS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bers</surname>
<given-names>DM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A novel computational model of the human ventricular action potential and Ca transient</article-title>. <source>J Mol Cell Cardiol</source> (<year>2010</year>). <volume>48</volume>:<fpage>112</fpage>&#x2013;<lpage>21</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.yjmcc.2009.09.019</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sundnes</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Artebrant</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Skavhaug</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A second-order algorithm for solving dynamic cell membrane equations</article-title>. <source>IEEE Trans Biomed Eng</source> (<year>2009</year>). <volume>56</volume>(<issue>10</issue>):<fpage>2546</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tbme.2009.2014739</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>ME</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ziaratgahi</surname>
<given-names>ST</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spiteri</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The secrets to the success of the Rush&#x2013;Larsen method and its generalizations</article-title>. <source>IEEE Trans Biomed Eng</source> (<year>2012</year>). <volume>59</volume>(<issue>9</issue>):<fpage>2506</fpage>&#x2013;<lpage>15</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TBME.2012.2205575</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bangerth</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Finite element methods in scientific computing</source> <comment>Available from: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.math.colostate.edu/bangerth/videos/676/slides.34.pdf">https://www.math.colostate.edu/bangerth/videos/676/slides.34.pdf</ext-link>
</comment> (Accessed July 1, <year>2020</year>)..</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>XS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An overview of SuperLU</article-title>. <source>ACM Trans Math Software</source> (<year>2005</year>). <volume>31</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>302</fpage>&#x2013;<lpage>25</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/1089014.1089017</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>St&#xfc;ben</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A review of algebraic multigrid</article-title>. <source>J Comput Appl Math</source> (<year>2001</year>). <volume>128</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>281</fpage>&#x2013;<lpage>309</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0377-0427(00)00516-1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rupp</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tillet</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rudolf</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weinbub</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morhammer</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grasser</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>ViennaCL&#x2014;Linear algebra library for multi- and many-core architectures</article-title>. <source>SIAM J Sci Comput</source> (<year>2016</year>). <volume>38</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>S412</fpage>&#x2013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/15m1026419</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dalton</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Olson</surname>
<given-names>LN</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Exposing fine-grained parallelism in algebraic multigrid methods</article-title>. <source>SIAM J Sci Comput</source> (<year>2012</year>). <volume>34</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>C123</fpage>&#x2013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/110838844</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hake</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Finsberg</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hustad</surname>
<given-names>KG</given-names>
</name>
<name>
<surname>George</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Gotran&#x2013;general ODE TRANslator</source> <comment>Available from: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/ComputationalPhysiology/gotran">https://github.com/ComputationalPhysiology/gotran</ext-link>
</comment> (Accessed July 1, 2020). </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kaese</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sander</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Cardiac electrophysiology in mice: a matter of size</article-title>. <source>Front Physiol</source> (<year>2012</year>). <volume>3</volume>:<fpage>345</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2012.00345</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="web">
<collab>TOP500 Supercomputer Sites</collab>. <comment>Available from: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.top500.org/lists/2020/06/">https://www.top500.org/lists/2020/06/</ext-link>
</comment> (Accessed July 1, 2020). </citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<collab>Supercomputer Fugaku</collab>
</person-group>. <comment>Available from: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.fujitsu.com/global/about/innovation/fugaku/index.html">https://www.fujitsu.com/global/about/innovation/fugaku/index.html</ext-link>
</comment> (Accessed July 1, 2020). </citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Roth</surname>
<given-names>BJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beaudoin</surname>
<given-names>DL</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Approximate analytical solutions of the bidomain equations for electrical stimulation of cardiac tissue with curving fibers</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>2003</year>). <volume>67</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>051925</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.67.051925</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Beaudoin</surname>
<given-names>DL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roth</surname>
<given-names>BJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The effect of the fiber curvature gradient on break excitation in cardiac tissue</article-title>. <source>Pacing clin electrophysiol</source> (<year>2006</year>). <volume>29</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>496</fpage>&#x2013;<lpage>501</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1540-8159.2006.00382.x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>J&#x00E6;ger</surname>
<given-names>KH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Derivation of a Cell-Based Mathematical Model of Excitable Cells</article-title>. In: <source>Modeling excitable tissue. <italic>Cham: Springer</italic>
</source>. (<year>2020</year>). p. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>J&#x00E6;ger</surname>
<given-names>KH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hustad</surname>
<given-names>KG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tveito</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Operator Splitting and Finite Difference Schemes for Solving the EMI Model</article-title>. In: <source>Modeling Excitable Tissue. <italic>Springer, Cham</italic>
</source>, (<year>2020</year>). p. <fpage>44</fpage>&#x2013;<lpage>55</lpage>. </citation>
</ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="FN1">
<label>1</label>
<p>Note that in the first iteration of this procedure, the approximation of the capacitive current density, <inline-formula id="inf520">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is equal to zero because <inline-formula id="inf519">
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="FN2">
<label>2</label>
<p>This stems from the CPU package being comprised of 4 dies, each with 8 cores and two memory channels.</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article>
