Comment les superordinateurs peuvent-ils aider à désamorcer les «bombes cardiaques à retardement»?
Les maladies cardiaques sont la cause de mortalité la plus fréquente dans l’UE, représentant un tiers de tous les décès enregistrés. Environ la moitié de ces décès sont dus à une arythmie, c’est-à-dire un rythme cardiaque irrégulier causé par des troubles du système de synchronisation électrique du cœur. Il existe de nombreux modèles numériques sophistiqués de ce système, mais pour modéliser avec précision les cœurs malades ou vieillissants, ils doivent tenir compte des interactions au niveau cellulaire. Cela demande une énorme puissance de calcul, nécessitant des ordinateurs exaflopiques (capables d’effectuer un milliard de milliards de calculs par seconde). Dans le cadre du projet MICROCARD, une équipe de scientifiques construira la prochaine génération de modèles numériques d’électrophysiologie cardiaque capables de représenter des cellules individuelles et leurs connexions. «Certains phénomènes cardiaques, en particulier le déclenchement de l’arythmie, dépendent d’événements qui se produisent dans une seule cellule ou dans la connexion entre deux cellules», explique Mark Potse, chercheur affilié à l’Institut des maladies du rythme cardiaque (LIRYC) à Bordeaux, en France, et coordinateur du projet MICROCARD. Grâce à notre plateforme de simulation, nous pourrons étudier ces événements et voir comment ils se traduisent par des signaux mesurables, afin d’apprendre à détecter et peut-être à désamorcer ces “bombes cardiaques à retardement”», ajoute-t-il.
Construire un cœur numérique
Pour adapter le simulateur aux ordinateurs exaflopiques, l’équipe MICROCARD - une collaboration entre de nombreux experts en mathématiques et en informatique - a implémenté les algorithmes nécessaires dans la bibliothèque Ginkgo, spécialisée dans la résolution de problèmes à grande échelle sur des superordinateurs équipés de milliers d’unités de traitement graphique. Les chercheurs ont actualisé le code du simulateur afin que les calculs puissent se dérouler sans interruption pendant le transfert de données et pour détecter les problèmes matériels et logiciels. Enfin, ils ont mis au point un compilateur spécial, un logiciel utilisé pour traduire les équations qui représentent la dynamique de la membrane cellulaire en un code compréhensible par les ordinateurs. «Ces équations sont le deuxième plus grand consommateur d’énergie dans nos calculs et, à l’échelle exaflopique, les économies sont ainsi très importantes», note Mark Potse. La plate-forme de simulation elle-même est encore en cours de développement, et les progrès réalisés dans les différents composants sont les résultats les plus tangibles du projet. Nombre d’entre eux sont disponibles gratuitement et en libre accès pour les grandes communautés d’utilisateurs. Une étape importante consiste à améliorer le logiciel qui crée les «maillages», c’est-à-dire les descriptions géométriques du tissu cardiaque. L’équipe est désormais en mesure de construire des maillages représentant des milliers de cellules cardiaques et de les utiliser pour tester les composants du logiciel. «Ces types de logiciels ont été développés en partant du principe que quelques millions d’éléments constituent un maillage important», explique Mark Potse. «Nos ambitions sont un million de fois plus grandes.»
Cœurs et esprits
Le logiciel de simulation sera utilisé par les partenaires du projet et d’autres chercheurs pour la recherche en cardiologie. L’équipe espère toutefois que sa portée s’étendra à des systèmes biologiques similaires tels que les nerfs, les muscles, l’œil et le cerveau. «Récemment, des neuroscientifiques ont reconstitué un fragment de cerveau humain jusqu’aux synapses individuelles, en utilisant la microscopie électronique en coupe sérielle», explique Mark Potse. «Grâce à notre logiciel, il sera possible de transformer ces reconstructions en modèles et de voir comment elles pourraient se comporter, ainsi que de simuler les signaux qui seraient captés par ces tissus.» Le projet a été réalisé avec le soutien de l’entreprise commune pour le calcul à haute performance européen (EuroHPC), une initiative mise en place pour développer un écosystème de supercalculateurs de classe mondiale en Europe. L’équipe pourra poursuivre ses travaux dans le cadre d’un nouveau projet, MICROCARD-2, grâce à la deuxième phase de financements apportés par l’entreprise commune EuroHPC. «Cela permettra d’exploiter les résultats de MICROCARD et d’amener la plateforme de simulation sur des superordinateurs exaflopiques réels, dont le premier arrivera en Europe cette année», conclut Mark Potse.
Mots‑clés
MICROCARD, entreprise commune EuroHPC, cœur, maladie cardiaque, arythmie, modèle, supercalculateur, exaflopique, cardiaque, Ginkgo, synchronisation, électrophysiologie, CHP
