Jak superkomputery mogą pomóc rozbroić „kardiologiczne bomby zegarowe”?
Choroby serca są najczęstszą przyczyną śmiertelności w UE — odpowiadają za jedną trzecią wszystkich odnotowanych zgonów. Około połowa z nich jest wynikiem arytmii serca, czyli nieregularnego bicia serca spowodowanego zaburzeniami elektrycznego układu synchronizacji serca. Istnieje wiele zaawansowanych modeli numerycznych tego układu, jednak aby dokładnie modelować chore lub starzejące się serca, takie modele muszą uwzględniać interakcje na poziomie komórkowym. Wymaga to ogromnej mocy obliczeniowej, dostępnej tylko w komputerach eksaskalowych (zdolnych do wykonywania 1 miliarda miliardów obliczeń na sekundę). W ramach projektu MICROCARD naukowcy budują następną generację numerycznych modeli elektrofizjologii serca, które mogą reprezentować poszczególne komórki i ich połączenia. „Niektóre zjawiska w sercu, w szczególności zapoczątkowanie arytmii, zależą od zdarzeń zachodzących w pojedynczej komórce lub w połączeniu między dwiema komórkami” — wyjaśnia Mark Potse, badacz związany z Instytutem Zaburzeń Rytmu Serca (LIRYC) w Bordeaux we Francji i koordynator projektu MICROCARD. „Dzięki naszej platformie symulacyjnej będziemy w stanie zbadać takie zdarzenia i zobaczyć, jak przekładają się one na mierzalne sygnały, co może nam pomóc dowiedzieć się, jak wykrywać i być może rozbrajać te «kardiologiczne bomby zegarowe»” — dodaje.
Budowanie cyfrowego serca
Aby symulator nadawał się do komputerów eksaskalowych, zespół MICROCARD — współpracujący z wieloma ekspertami w dziedzinie matematyki i informatyki — zaimplementował niezbędne algorytmy w bibliotece Ginkgo, która specjalizuje się w rozwiązywaniu problemów wielkoskalowych na superkomputerach wyposażonych w tysiące procesorów graficznych. Naukowcy zaktualizowali kod symulatora, aby obliczenia mogły odbywać się bez zakłóceń podczas przesyłania danych, a także w celu wykrywania problemów ze sprzętem i oprogramowaniem. Wreszcie zespół opracował kompilator specjalnego przeznaczenia — oprogramowanie używane do tłumaczenia równań reprezentujących dynamikę błony komórkowej na kod zrozumiały dla komputerów. „Równania te są drugim co do wielkości konsumentem energii w naszych obliczeniach, co w eksaskali pozwala na bardzo znaczące oszczędności” — zauważa Potse. Sama platforma symulacyjna jest nadal rozwijana, a postępy w jej poszczególnych komponentach są najbardziej namacalnymi rezultatami projektu. Wiele z nich jest dostępnych bezpłatnie i na licencji open-source dla dużych społeczności użytkowników. Jednym z ważnych kroków jest ulepszenie oprogramowania, które tworzy „siatki” — geometryczne opisy tkanki serca. Zespół jest teraz w stanie budować siatki reprezentujące tysiące komórek serca i wykorzystywać je do testowania komponentów oprogramowania. „Takie oprogramowanie zostało opracowane z założeniem, że kilka milionów elementów to duża siatka” — mówi Potse. „Nasze ambicje są milion razy większe”.
Serca i umysły
Oprogramowanie symulacyjne będzie wykorzystywane przez partnerów projektu i innych badaczy do badań kardiologicznych. Zespół ma jednak nadzieję, że jego zasięg rozszerzy się na podobne systemy biologiczne, takie jak nerwy, mięśnie, oko i mózg. „Niedawno neuronaukowcy zrekonstruowali fragment ludzkiego mózgu aż do poziomu pojedynczych synaps, wykorzystując mikroskopię elektronową” — mówi Potse. „Dzięki naszemu oprogramowaniu możliwe będzie przekształcenie takich rekonstrukcji w modele i sprawdzenie, jak mogą się one zachowywać, a także symulowanie sygnałów, które byłyby wychwytywane z takiej tkanki”. Projekt został zrealizowany przy wsparciu ze Wspólnego Przedsięwzięcia w dziedzinie Europejskich Obliczeń Wielkiej Skali (Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC), inicjatywy utworzonej w celu stworzenia w Europie światowej klasy ekosystemu superkomputerów. Zespół będzie mógł kontynuować swoją pracę w ramach nowego projektu MICROCARD-2 dzięki drugiej fazie finansowania zapewnionej przez Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC. „Wykorzystamy wyniki z projektu MICROCARD i przeniesiemy platformę symulacyjną na rzeczywiste superkomputery eksaskalowe, z których pierwszy pojawi się w Europie w tym roku” — podsumowuje Potse.
Słowa kluczowe
MICROCARD, Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC, serce, choroba serca, arytmia, model, superkomputer, eksaskala, kardiologiczne, Ginkgo, synchronizacja, elektrofizjologia, HPC
