Cómo pueden ayudar los superordenadores a desactivar las «bombas de relojería cardíacas»
Las cardiopatías son la causa más frecuente de mortalidad en la Unión Europea, ya que representan un tercio de todas las muertes registradas. Alrededor de la mitad de esas muertes son consecuencia de arritmias cardíacas, latidos irregulares causados por trastornos del sistema de sincronización eléctrica del corazón. Existen muchos modelos numéricos sofisticados de este sistema, pero para modelizar con precisión los corazones enfermos o envejecidos, deben tener en cuenta las interacciones a nivel celular. Para ello se necesita una enorme potencia de cálculo que requiere ordenadores a exaescala (capaces de realizar un trillón de cálculos por segundo). En el proyecto MICROCARD, los científicos están construyendo la próxima generación de modelos numéricos de electrofisiología cardíaca capaces de representar células individuales y sus conexiones. «Algunos fenómenos del corazón, en particular el inicio de la arritmia, dependen de acontecimientos que ocurren en una sola célula o en la conexión entre dos células», explica Mark Potse, investigador afiliado al Instituto de Enfermedades del Ritmo Cardíaco (LIRYC) de Burdeos (Francia) y coordinador del proyecto MICROCARD. «Con nuestra plataforma de simulación podremos investigar tales acontecimientos y ver cómo se traducen en señales mensurables, de modo que podamos aprender a detectar y tal vez desactivar estas “bombas de relojería cardíacas”», añade.
Construir un corazón digital
Para que el simulador fuera apto para ordenadores a exaescala, el equipo de MICROCARD —una colaboración entre numerosos expertos en matemáticas e informática— implementó los algoritmos necesarios en la biblioteca Ginkgo, especializada en resolver problemas a gran escala en superordenadores equipados con miles de procesadores gráficos. Los investigadores actualizaron el código del simulador para que los cálculos pudieran realizarse sin interrupciones durante la transferencia de datos y para detectar problemas de «hardware» y «software». Por último, el equipo desarrolló un compilador especial, un programa informático utilizado para traducir las ecuaciones que representan la dinámica de la membrana celular a un código comprensible para los ordenadores. «Estas ecuaciones son el segundo mayor consumidor de energía en nuestros cálculos, y a exaescala el ahorro que esto permite es muy significativo», señala Potse. La plataforma de simulación en sí sigue desarrollándose, y los avances en los componentes individuales son los resultados más tangibles del proyecto. Muchos de ellos son gratuitos y de código abierto para grandes comunidades de usuarios. Un paso importante es mejorar los programas informáticos que crean «mallas», es decir, las descripciones geométricas del tejido cardíaco. El equipo ya es capaz de construir mallas que representan miles de células cardíacas y utilizarlas para probar componentes del «software». «Este tipo de “software” se ha desarrollado con la idea de que unos pocos millones de elementos es una malla grande», afirma Potse. «Nuestras ambiciones son un millón de veces mayores».
Corazones y mentes
El «software» de simulación será utilizado por los socios del proyecto y otros investigadores para la investigación cardiológica. Sin embargo, el equipo espera que su alcance se extienda a sistemas biológicos similares como los nervios, los músculos, el ojo y el cerebro. «Recientemente, los neurocientíficos han reconstruido un fragmento de cerebro humano hasta las sinapsis individuales, utilizando microscopía electrónica de sección en serie», afirma Potse. «Con nuestro “software”, será posible convertir esas reconstrucciones en modelos y ver cómo podrían comportarse, así como simular las señales que captarían esos tejidos». El equipo del proyecto se llevó a cabo con el apoyo de la Empresa Común de Informática de Alto Rendimiento Europea (EC EuroHPC), una iniciativa creada para desarrollar un ecosistema de supercomputación de categoría mundial en Europa. El equipo podrá continuar su trabajo en un nuevo proyecto, MICROCARD-2, gracias a la segunda fase de financiación proporcionada por la EC EuroHPC. «Se basará en los resultados de MICROCARD y llevará la plataforma de simulación a superordenadores de exaescala reales, el primero de los cuales llegará a Europa este año», concluye Potse.
Palabras clave
MICROCARD, EC EuroHPC, corazón, cardiopatía, arritmia, modelo, superordenador, exaescala, cardíaco, Ginkgo, sincronización, electrofisiología, HPC
