„Tickende Zeitbomben im Herzen“ mit Supercomputern entschärfen
Herzerkrankungen sind die häufigste Todesursache in der EU, auf die ein Drittel aller registrierten Todesfälle zurückzuführen sind. Etwa die Hälfte dieser Todesfälle traten durch Dysrhythmia auf, einen unregelmäßigen Herzschlag durch Störungen des elektrischen Synchronisationssystems des Herzens. Es gibt viele ausgefeilte numerische Modelle dieses Systems, doch um erkrankte oder ältere Herzen präzise zu modellieren, müssen Wechselwirkungen auf zellulärer Ebene berücksichtigt werden. Dafür ist eine enorme Rechenleistung notwendig, die nur Exa-Computer bieten (Rechner, die 1 Trillion Berechnungen pro Sekunde ausführen können). Im Projekt MICROCARD arbeiten Forschende an der nächsten Generation von numerischen Modellen zur Elektrophysiologie des Herzens, in denen einzelne Zellen und ihre Verbindungen abgebildet sind. „Bei einigen Phänomenen im Herzen, insbesondere dem Einsetzen von Dysrhythmia, kommt es auf Vorgänge in einer einzigen Zelle oder die Verbindung zwischen zwei Zellen an“, erklärt Mark Potse, ein Forscher am Institut für Herzrhythmusstörungen (LIRYC) in Bordeaux, Frankreich, und Projektkoordinator von MICROCARD. „Mit unserer Simulationsplattform können wir solche Vorgänge untersuchen und herausfinden, wie sie sich als messbare Signale äußern, damit wir lernen können, sie zu erkennen und diese ‚tickenden Zeitbomben im Herzen‘ zu entschärfen“, fährt er fort.
Ein digitales Herz bauen
Damit der Simulator für Exa-Rechner geeignet ist, hat das MICROCARD-Team – eine Kollaboration aus vielen Sachverständigen aus Mathematik und Informatik – die notwendigen Algorithmen in die Ginkgo-Bibliothek implementiert. Diese ist auf die Lösung weitreichender Probleme mit Supercomputern mit Tausenden Graphikprozessoren spezialisiert. Die Forschenden haben den Code für den Simulator aktualisiert, damit die Berechnungen nicht durch Datenübertragungen unterbrochen werden, und um Probleme der Hardware und Software zu erkennen. Schließlich hat das Team einen speziellen Kompilierer entwickelt, also eine Software, mit der die Gleichungen, die die Dynamik der Zellmembran abbilden, in Code verwandelt werden, den Computer verarbeiten können. „Diese Gleichungen sind der zweitgrößte Faktor für den Energieverbrauch bei unseren Berechnungen. Im Exa-Bereich sind die Einsparungen also enorm“, berichtet Potse. Die Simulationsplattform selbst wird derzeit noch entworfen, die Fortschritte an den einzelnen Komponenten sind bisher die greifbarsten Ergebnisse des Projekts. Viele von ihnen sind frei und quelloffen für große Nutzergemeinschaften zugänglich. Ein wichtiger Schritt war, die Software zu verbessern, die „Meshes“ erstellt – die geometrischen Repräsentationen des Herzgewebes. Das Team kann jetzt Meshes erstellen, die Tausende Herzzellen darstellen, und mit ihnen die Komponenten der Software testen. „Diese Software wurde mit der Idee entwickelt, dass ein paar Millionen Elemente ein großes Mesh ausmachen“, sagt Potse. „Unsere Ambitionen sind etwa eine Million Mal größer.“
Herz und Verstand
Die Simulationssoftware wird von den Projektpartnern und anderen Forschenden zur kardiologischen Forschung eingesetzt. Das Team hofft, dass die Anwendung auf ähnliche biologische Systeme wir Nerven, Muskeln, das Auge und das Gehirn ausgeweitet wird. „In der Neurowissenschaft wurde kürzlich mit Serienschnitt-Elektronenmikroskopie ein Teil des menschlichen Gehirns nachgebildet, bis hin zu einzelnen Synapsen“, sagt Potse. „Mit unserer Software können solche Rekonstruktionen in Modelle verwandelt werden, um ihr Verhalten zu erforschen und die Signale zu simulieren, die solches Gewebe erfassen würde.“ Das Projekt wurde mit Unterstützung des Gemeinsamen Unternehmens für europäisches Hochleistungsrechnen (GU EuroHPC) durchgeführt, einer Initiative, die zur Entwicklung eines Ökosystems für Hochleistungsrechnen von Weltrang in Europa gegründet wurde. Das Team wird die Arbeit dank einer zweiten Finanzierungsphase durch das GU EuroHPC in einem neuen Projekt, MICROCARD-2, weiterführen. „Wir bauen auf den Ergebnissen von MICROCARD auf und wenden die Simulationsplattform auf tatsächlichen Exa-Supercomputern an. Der erste wird noch dieses Jahr in Europa ankommen“, schließt Potse.
Schlüsselbegriffe
MICROCARD, GU EuroHPC, Herz, Herzerkrankung, Dysrhythmia, Modell, Supercomputer, Exa, Ginkgo, Synchronisation, Elektrophysiologie, HPC
