Student World

***tisková zpráva společnosti SGI
Při pátrání po odhalení, jak pracují mechanismy chorob, spustili vědci z univerzity v Montrealu (UdM), na výpočetním systému určeným pro HPC od společnosti SGI, největší matematickou simulaci srdce, která kdy byla sestavena – 2 biliony modelových prvků. Nový model UdM je až tisíckrát detailnější než model předešlý a umožňuje vědcům objevy, které by nikdy nebylo možné odhalit pouhým pozorováním.

Až donedávna měly největší modely světa nanejvýše pár milionů prvků. Během posledních 9 měsíců se spojili Dr. Mark Potse a Dr. Alain Vinet s výzkumným centrem nemocnice Sacré-Coeur a oddělením biomedicínského inženýrství na UdM a začali s modely o velikosti 100 až 120 milionů bodů jako součást jejich výzkumu srdce na systému SGI Altix 4700, což byl výpočetní systém s největší sdílenou pamětí v Kanadě. Oba pravidelně využívají 60 ze 768 procesorů Intel Itanium 2, které běží na systému SGI Altix, jež je součástí Quebecké sítě pro HPC (RQCHP) a je sdílen mnoha vědci z celé Kanady.

Na konci října měli Potse a Vinet příležitost otestovat jimi vytvořený elektrokardiografický (ECG) kód, aby spočítali největší a nejdetailnější model srdce, který kdy byl vytvořen a to vše za využití systému SGI Altix s celkovou sdílenou pamětí 1,2 TB. Původně byl tento kód napsán na starším systému SGI a později v roce 2003 naportován na Linuxové prostředí systému SGI Altix. ECG kód pak lehce učinil neuvěřitelný poskok ze 120 milionu bodů na 2 biliony.

„Používali jsme tento kód pro náš výzkum a ve skutečnosti jsme jej dále nerozvíjeli, ale po úspěšném pokusu přemýšlím o dalším zlepšení modelu, o jeho zvětšení a detailnějším zpracování, abychom tak obsáhli i další nemoci, se kterými jsme dříve nemohli pracovat,“ uvedl Dr. Potse. „Je to velmi komplikovaný model a je mnohem, mnohem jednodušší napsat paralelní programy na systému se sdílenou pamětí. Systém Altix poskytuje rychlou výkonnost při zpracovávání potřeb různých aplikací nejen kvůli sdílené paměti, ale také díky vysokorychlostnímu připojení. To je výborné pro typy matematických rovnic, které řeším a šetří mi to spoustu času.“

Potse simuloval 5 milisekund aktivace v tkáňovém bloku, která obsahovala některé vlastnosti skutečného srdce jako například vlákna běžící v různých směrech. Simulace řešila systém 2 bilionů rovnic asi tucetkrát. Test trval dvě hodiny, které Potse popsal jako krátký čas vzhledem k dosažení vytoužených výsledků. Simulace plného tlukotu srdce by zabrala 2 týdny, ale bohužel v současné době nemůžeme zabrat celý systém na tak dlouhou dobu.

„Tento test jsme provedli, abychom se přesvědčili zda simulace běží a měl prokázat, že pokud bychom měli ještě větší systém, náš software by byl mnohem účinnější.“ dodal Potse. „Tento potenciál je skutečně výhledem do budoucna, kdy budeme schopni využít stroje takového rozsahu na denní bázi, ale se systémem Altix jsme vytvořili model srdce budoucnosti již nyní.“

Nemoci srdce jsou jednou z hlavních příčin úmrtí v západním světě a objevení „spouštěčů“ různých druhů chorob srdce by mohlo vést k dřívějšímu stanovení diagnózy a novým zlomovým objevům ve způsobu léčby. Například existují dědičné nemoci jako syndrom „Brugada“ (syndrom náhlého úmrtí) a „LQT syndrom“, které mohou v mládí způsobit náhlou smrt jinak zcela zdravých lidí, a tyto vykazují typické změny v ECG, které umožní lékařům diagnostikovat takové choroby. Abychom mohli porozumět tomu jaké jsou mechanismy jednotlivých chorob, musí být model srdce rozpracován do nesmírných podrobností. A když jednou plně pochopíme mechanismus choroby, budou vědci schopni vymyslet nejlepší lék či nejlepší způsob léčby – chirurgicky či jinými nápravnými prostředky – a lékaři budou schopni určit diagnózu mnohem precizněji.

Bez pomoci počítačových modelů může být těžké sledovat vlivy srdečních chorob na ECG. Například mnoho pacientů se syndromem náhlého úmrtí má dědičnou poruchu na úrovni iontových kanálků – rozsáhlých molekul v membráně buňky, která pomáhá aktivovat srdce, aby tlouklo. Je lákavé se domnívat, že tyto poruchy iontových kanálků způsobují typický průběh ECG a riziko náhlého srdečního selhání, které souvisí se syndromem Brugada. Avšak počítačové simulace prokázaly, že to v tomto případě neplatí. Jsou zapotřebí další faktory. Takový objev, který vyvrátí nabízené vysvětlení je možné uskutečnit za pomoci detailní počítačové simulace modelu srdce, ne však samotným pozorováním. A navíc úroveň detailů požadovaných pro tuto aplikaci vyžaduje takové množství výpočetních zdrojů, že jí může být dosaženo je zřídka.

„Po 25 let přispívala SGI k biomedikálním objevům, zrychlovala vědecký výzkum snižováním časů potřebných k proniknutí do podstaty problémů v oblastech mechaniky proteázy viru HIV, genomické korelace výzkumu rakoviny nebo 3D simulacemi operací,“ uvedl Michael Brown, ředitel pro oblast přírodních věd společnosti SGI.“ Systém SGI Altix posiluje budoucnost výzkumu srdečních chorob a důkazem je expanze výpočtů až na úroveň 2 bilionů, která nejenom, že je možná, ale v budoucnu se stane standardem.“

autor