Come i supercomputer possono aiutare a disinnescare le «bombe cardiache a orologeria»
Le malattie cardiache sono la causa più comune di mortalità nell’UE e rappresentano un terzo di tutti i decessi registrati. Circa la metà di questi decessi è dovuta ad aritmia cardiaca, un battito irregolare causato da disturbi del sistema di sincronizzazione elettrica del cuore. Esistono molti modelli numerici sofisticati di questo sistema ma, per modellizzare accuratamente i cuori malati o invecchiati, occorre tenere conto delle interazioni a livello cellulare. Per farlo è necessaria un’enorme potenza di calcolo, che richiede computer a esascala (in grado di eseguire un miliardo di miliardi di calcoli al secondo). Nell’ambito del progetto MICROCARD, gli scienziati stanno costruendo la prossima generazione di modelli numerici di elettrofisiologia cardiaca in grado di rappresentare le singole cellule e le loro connessioni. «Alcuni fenomeni del cuore, in particolare l’inizio dell’aritmia, dipendono da eventi che avvengono in una singola cellula o nella connessione tra due cellule», spiega Mark Potse, ricercatore affiliato all’Istituto per le malattie del ritmo cardiaco (LIRYC) di Bordeaux, Francia, e coordinatore del progetto MICROCARD. «Con la nostra piattaforma di simulazione saremo in grado di studiare questi eventi e di vedere come si traducono in segnali misurabili, in modo da poter imparare a rilevare e magari disinnescare queste “bombe cardiache a orologeria”», aggiunge.
Costruire un cuore digitale
Per rendere il simulatore adatto ai computer a esascala, il team di MICROCARD - una collaborazione tra molti esperti di matematica e informatica - ha implementato gli algoritmi necessari nella libreria Ginkgo, specializzata nella risoluzione di problemi su larga scala su supercomputer dotati di migliaia di unità di elaborazione grafica. I ricercatori hanno aggiornato il codice del simulatore in modo che i calcoli possano essere eseguiti senza interruzioni durante il trasferimento dei dati e per rilevare i problemi hardware e software. Il team ha infine sviluppato un compilatore speciale, un software utilizzato per tradurre le equazioni che rappresentano la dinamica della membrana cellulare in codice comprensibile dai computer. «Queste equazioni rappresentano il secondo maggior consumo di energia nei nostri calcoli e, a livello di esascala, il risparmio che ne deriva è molto significativo», osserva Potse. La piattaforma di simulazione stessa è ancora in fase di sviluppo e i progressi nei singoli componenti sono i risultati più tangibili del progetto. Molti di questi sono disponibili gratuitamente e open-source per grandi comunità di utenti. Un passo importante è il miglioramento del software che crea le «maglie», ovvero le descrizioni geometriche del tessuto cardiaco. Il team è ora in grado di costruire maglie che rappresentano migliaia di cellule cardiache e di usarle per testare i componenti del software. «Questi software sono stati sviluppati con l’idea che qualche milione di elementi sia una maglia di grandi dimensioni», spiega Potse. «La nostra ambizione è arrivare a dimensioni un milione di volte maggiori.»
Cuori e menti
Il software di simulazione sarà utilizzato dai partner del progetto e da altri ricercatori per la ricerca cardiologica. Tuttavia il team spera che la sua portata si possa estendere a sistemi biologici simili, come i nervi, i muscoli, l’occhio e il cervello. «Di recente alcuni neuroscienziati hanno ricostruito un frammento di cervello umano fino alle singole sinapsi, utilizzando la microscopia elettronica a sezioni seriali», spiega Potse. «Con il nostro software sarà possibile trasformare tali ricostruzioni in modelli e vedere come potrebbero comportarsi, nonché simulare i segnali che verrebbero catturati da tali tessuti.» Il progetto è stato condotto con il sostegno dell’impresa comune per il calcolo ad alte prestazioni europeo (impresa comune EuroHPC), un’iniziativa istituita per sviluppare un ecosistema di supercalcolo di livello mondiale in Europa. Il team potrà continuare il proprio lavoro in un nuovo progetto, MICROCARD-2, grazie alla seconda fase di finanziamento fornita dall’impresa comune EuroHPC. «Questo secondo progetto si baserà sui risultati di MICROCARD e porterà la piattaforma di simulazione sugli attuali supercomputer a esascala, il primo dei quali arriverà in Europa quest’anno», conclude Potse.
Parole chiave
MICROCARD, impresa comune EuroHPC, cuore, malattia cardiaca, aritmia, modello, supercomputer, esascala, cardiaco, Ginkgo, sincronizzazione, elettrofisiologia, HPC
