Deutsches Forschungsinstitut testet Memory-Driven Computing für den Kampf gegen neurodegenerative Krankheiten

Die Menschen werden immer älter. Die Folgen für die Menschen und die Wirtschaft durch die aktuell noch unheilbaren neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer nehmen mit atemberaubender Geschwindigkeit zu. Das DZNE setzt bei seinen Forschungen zwar auf Big Data-Analysen, jedoch bildeten die an ihre Leistungsgrenzen gekommenen herkömmlichen Computersysteme bisher immer die größten Engpässe. Auf der Suche nach einer bahnbrechend neuen Lösung kam man im DZNE auf Memory-Driven Computing von HPE. Diese Lösungen boten eine bisher unübertroffene Verbesserung der Rechenleistung, sodass sich neue Möglichkeiten bei der Bekämpfung von Alzheimer ergaben.

Eine weltweite tickende Zeitbombe

Da die Menschen immer älter werden, leiden weltweit mittlerweile Millionen von Menschen an Erkrankungen des Gehirns wie Alzheimer. Dies verursacht Kosten von mehr als einer Billion US-Dollar.

Schnellere Ergebnisse bei der Alzheimer-Forschung – DZNE & Hewlett Packard Enterprise setzen auf noch mehr Rechenleistung, um Forschungsprozesse zu beschleunigen. Erfahren Sie mehr zu Memory-Driven Computing.

Experten in diesem Video: Prof. Pierluigi Nicotera, wissenschaftlicher Vorstand & Vorstandsvorsitzender, Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen – DZNE.

Prof. Dr. med. Joachim L. Schultze, Genomik und Immunregulation – Universität Bonn.

Videowiedergabe
3:11
Fortschritte bei der Alzheimer-Forschung

Neurodegenerative Krankheiten – wie Alzheimer, Parkinson, multiple Sklerose, Lou-Gehrig-Syndrom und Huntington-Krankheit – treten auf, wenn Nervenzellen im Gehirn und im Rückenmark zerfallen. Die Symptome sind anfangs nicht besonders auffällig: Koordinationsprobleme oder nachlassendes Namensgedächtnis. Je mehr Nervenzellen jedoch absterben, desto mehr verlieren die Betroffenen die Fähigkeit, klar zu denken, ohne Hilfe zu gehen und die täglichen Abläufe des Lebens zu bewältigen. Viele dieser Erkrankungen sind nicht heilbar.

Da solche neurodegenerativen Erkrankungen in der Regel erst im Alter auftreten, werden diese immer häufiger festzustellen sein, je älter die Menschen werden. Das größte Wachstum bei der älteren Bevölkerungsgruppe ist in China, Indien, im Süden Asiens und im westpazifischen Raum festzustellen.

Demenz, eine Krankheit, bei der Patienten Probleme mit der geistigen Leistungsfähigkeit haben, ist eine der schlimmsten Auswirkungen von neurodegenerativen Erkrankungen. Die Anzahl der Menschen mit Demenz verdoppelt sich alle 20 Jahre. Es ist zu erwarten, dass bis zum Jahr 2050 über 130 Millionen Menschen weltweit davon betroffen sein werden. Alle drei Sekunden erkrankt irgendwo auf der Welt ein Mensch an Demenz. Schätzungen gehen davon aus, dass bei drei Viertel der Menschen, die an Demenz leiden, die Erkrankung noch nicht diagnostiziert wurde. Erschwert wird das Problem zudem dadurch, dass es bei einer Diagnose meistens schon zu spät ist. Die Schädigung ist bereits erfolgt.

„Wenn wir es nicht schaffen, die Anzahl der weltweit an Demenz erkrankenden Menschen zu stoppen, würden wir bis 2050 das gesamte Bruttoinlandsprodukt der USA brauchen, um uns um diese Menschen kümmern zu können.“

Professor Dr. Pierluigi Nicotera
Wissenschaftlicher Vorstand und Vorstandsvorsitzender, DZNE

Die weltweiten jährlichen Kosten für die Demenzbehandlung werden bis 2018 bei über 1 Billion US-Dollar liegen. Hierin enthalten sind die Kosten für unbezahlte Pflegearbeit durch die Familie und andere Gruppen, Leistungen durch professionelle Pflegekräfte und medizinische Versorgung. Wenn man die weltweite Demenzfürsorge als Land sehen würde, wäre dies das Land, dessen Wirtschaftskraft weltweit auf Platz 18 stehen würde.

Trotz der Dringlichkeit, geeignete Heilverfahren zu finden, ist aufgrund der Komplexität der betroffenen Systeme bisher kein nennenswerter Fortschritt erzielt worden. Das menschliche Gehirn weist eine tausendfach höhere Anzahl an neuronalen Verzweigungen auf, als es Sterne in unserer Galaxie gibt. Die Forscher müssen daher verstehen können, wie das Gehirn funktioniert, wie die zugrunde liegenden genetischen, Zell- und intrazellulären Funktionen arbeiten, welche Umgebungsfaktoren solche Störungen auslösen – und wie all dies im Lauf der Jahrzehnte miteinander interagiert.

Die Menge und Art der Daten, die durch solche Untersuchungen generiert werden, ist enorm und sehr unterschiedlich. Im Wettlauf mit der Zeit bei der Heilung neurodegenerativer Erkrankungen waren die analytischen Defizite traditioneller Computersysteme bisher ein enormes Hemmnis.

1 Mrd.

Menschen weltweit leiden an neurologischen Störungen

24 Mio.

dieser Menschen haben Alzheimer

$ 1 Billion

weltweite Kosten durch Demenzerkrankungen bis 2018

Der Kampf gegen neurodegenerative Erkrankungen

Deutsches Forschungsinstitut im Kampf gegen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson

„Wir wollen mithilfe modernster Technologie Antworten auf Fragen zu den Ursachen von Alzheimer und Möglichkeiten zur Vorbeugung finden.“

Professor Dr. Joachim L. Schultze
Leiter, PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE

Das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) ist eine Forschungseinrichtung, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ins Leben gerufen wurde, um neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und multiple Sklerose besser behandeln zu können. Das DZNE führt klinische Forschungen, Populationsforschungen und Versorgungsforschungen durch, in deren Folge enorme Datenmengen anfallen. Die für das DZNE tätigen Forscher arbeiten an neun, auf Deutschland verteilten Standorten und kooperieren eng mit Universitäten, Universitätskliniken und anderen Forschungspartnern.

1.000

DZNE-Mitarbeiter, die Gehirnerkrankungen erforschen

80

Arbeitsgruppen, die neue vorbeugende und therapeutische Lösungsansätze entwickeln

9

Standorte in ganz Deutschland

Der Schlüssel zur Früherkennung

Forschungsprojekte und die Grenzen der Technologie

 

Forscher wissen, dass die Erkrankungsverläufe, die letztendlich zur Demenz führen, Jahrzehnte vor dem Auftreten der Symptome beginnen. Man weiß jedoch nicht genau, warum das so ist. Fehlfaltungen bei Proteinen? Entzündungen? Ein besseres Verständnis ist der Schlüssel für eine bessere Vorbeugung, Diagnose und Behandlung.

„Wir suchen nach den kleinen Unterschieden, aus denen wir erfahren, warum sich Erkrankungen bei einer Person entwickeln und bei einer anderen nicht. Wir brauchen hierfür jedoch neue Technologien, um all diese Datenmengen zusammenbringen und Datasets miteinander vergleichen zu können. Nur so können wir deren Bedeutung verstehen.“

Professor Dr. Pierluigi Nicotera
Wissenschaftlicher Vorstand und Vorstandsvorsitzender, DZNE

Das DZNE leitet federführend eine Populationsstudie in Deutschland, bei der bis zu 30.000 Personen über deren gesamte Lebenszeit alle drei Jahre untersucht werden. So sollen Veränderungen beim Gang, beim Geruchssinn und bei anderen Faktoren ermittelt werden, die für die Früherkennung von Alzheimer relevant sind. Wie bei anderen DZNE-Projekten auch fallen hierbei enorme Datenmengen an, die korreliert werden, um auch geringfügige Abweichungen zu erkennen, die hinreichend Aufschluss darauf geben können, wer an Alzheimer erkranken wird.

Diese Forschungsarbeiten setzen eine enge Zusammenarbeit voraus – länderübergreifend und über Fachbereiche wie Medizin, Biowissenschaften, Mathematik, Physik, Informatik und die IT hinweg. Auch wenn die DZNE-Standorte auf Deutschland verteilt sind, arbeitet das Institut bei seinen Forschungen mit Partnern auf der ganzen Welt zusammen. Die technologischen Möglichkeiten werden dabei bis an ihre Grenzen ausgereizt. Mittlerweile wächst die Weltbevölkerung immer weiter und neurologische Erkrankungen werden regelrecht zu einer tickenden Zeitbombe.

30 Jahre

bisherige Dauer der Populationsstudie

30.000

untersuchte Personen

Langsame Systeme hemmen den Fortschritt

Der Analysebedarf übersteigt die Kapazitäten traditioneller Computerarchitekturen

 

Die begrenzten IT-Möglichkeiten haben sich zu einem der größten Engpässe beim Kampf gegen neurodegenerative Erkrankungen entwickelt. Traditionelle IT-Systeme sind zu langsam für die Petabyte an Daten, die Vielfalt der Datenquellen und die komplexen Berechnungspipelines im DZNE.

Das DZNE nutzt Informationen aus Genomen, Brain-Imaging-Verfahren und klinischen Studien. Der Zugriff auf diese Informationen und deren Analyse müssen auf sichere Weise erfolgen, um den Schutz von Patientendaten zu gewährleisten. Diese riesigen und unterschiedlichen Datasets sind von Natur aus nicht aufeinander abgestimmt und häufig inkompatibel. Und trotzdem müssen die Forscher auf Basis dieser Datasets intensive Berechnungen wie das Korrelieren von genetischen Markern mit dem Brain-Imaging vornehmen.

„Wir brauchen hohe Rechenleistung, um diese komplexen Erkrankungen auf allen Ebenen verstehen zu können: Genomik, Brain-Imaging, Patientenüberwachung. Moderne Medizin und Rechenleistung gehören in Zukunft zusammen.“

Professor Dr. Joachim L. Schultze
Leiter, PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE

Das Laden der Daten kann Wochen, die datenbasierten Berechnungen können noch länger dauern. Selbst mit den schnellsten Internetverbindungen waren Datenübertragungen praktisch kaum möglich. Ein Genomikforscher kopiert beispielsweise seine Daten auf ein Festplattenlaufwerk und verschickt sie dann per LKW an das DZNE.

Beim DZNE will man diese Prozesse deutlich beschleunigen. Rohdaten sollen nicht mehr transportiert, sondern lokal analysiert werden. Gleichzeitig sollen Kooperationspartner zentralen Zugriff auf Ergebnisse erhalten, die sie für ihre eigenen Forschungsstudien nutzen können. Voraussetzung hierfür ist ein neuer Ansatz für eine Computerarchitektur.

Memory-Driven Computing für die Realisierung einer Vision

Das DNZE setzt auf die neue wegweisende HPE Computerarchitektur für Big Data

 

Das DZNE suchte nach einer Lösung, mit der Genomikdaten schnell und dezentral verarbeitet werden konnten. Zeitverluste wie bei der Übertragung der Daten zwischen den Kooperationspartnern oder auch zwischen den Rechenebenen vor Ort sollten nicht mehr vorkommen. Memory-Driven Computing von Hewlett Packard Enterprise ist die Lösung für diese Anforderungen.

Memory-Driven Computing ist eine neue Computerarchitektur, mit der die konventionelle Computerarchitektur praktisch auf den Kopf gestellt wird. In traditionellen Computersystemen sind jedem Prozessor relativ kleine Speicherkapazitäten zugeordnet. Die daraus resultierenden Ineffizienzen beeinträchtigen das Leistungsverhalten. Schätzungsweise 90 % aller Arbeiten drehen sich um das Verschieben von Informationen von Prozessor zu Prozessor und zwischen Arbeits- und Hauptspeicher.

„Memory-Driven Computing bietet genau das, wonach wir suchen. Durch das Ablegen großer Datenmengen im Hauptspeicher steht uns ein deutlich schnelleres System zur Verfügung, mit dem wir unsere gesamten Berechnungspipelines beschleunigen können.“

Professor Dr. Joachim L. Schultze
Leiter, PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE

Mit Memory-Driven Computing erhalten alle Prozessoren gleichberechtigten Zugriff auf einen Pool aus gemeinsam genutztem Hauptspeicher, dem Shared Memory, sodass Informationen nicht mehr hin- und hergeschoben werden müssen. Das Resultat ist ein bisher nicht gekanntes hohes Maß an Verarbeitungsgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz – so konnten enorm große Datasets genutzt werden, was bisher nicht möglich war. HPE stellte seinen Memory-Driven Computing-Prototyp 2017 vor. Dieser Prototyp mit dem Namen „The Machine“ verfügt über 160 Terabyte an schnellem Hauptspeicher und ist damit das größte Single-Memory-System, das je entwickelt wurde.

Die DZNE-Führungsebene war gespannt darauf, welche Möglichkeiten Memory-Driven Computing bieten würde, und wählte deshalb einen besonders anspruchsvollen Anwendungsfall aus. Dabei ging es um einen bereits bestehenden Algorithmus, der für die Vorverarbeitung von Genomikdaten bereits „fast perfekt“ war. Diese Auswahl sollte zeigen, ob durch kleine Änderungen mit Memory-Driven Computing-Verfahren ein Schritt, dessen Verarbeitungsgeschwindigkeit bereits so schnell wie die aktuellen Technologien war, weiter verbessert werden konnte.

Das Ergebnis wirkte auf die DZNE-Verantwortlichen geradezu elektrisierend.

Außergewöhnlich hohe Rechenleistung für schnellere Forschungsergebnisse

Mit Memory-Driven Computing rücken Frühdiagnosen und Behandlungsmöglichkeiten mehr denn je in greifbare Nähe

 

Beim DZNE betrachtet man Memory-Driven Computing als bahnbrechende Technologie, die den Forschern kreative Problemlösung ermöglicht und die Suche nach Ansätzen zur Krankheitsprävention und Heilverfahren beschleunigt. Da die großen und oft inkompatiblen Datasets nun allesamt im Hauptspeicher verfügbar sind, gibt es keine Engpässe bei den Berechnungen mehr, die bisher den Fortschritt bei der Genomik- und medizinischen Forschung behindert haben.

Memory-Driven Computing ist nicht nur schneller und effizienter, sondern auch eigensicher. Anstatt Rohdaten zu versenden, wie z. B. Gehirnscans, nutzen die Forschungspartner die Ergebnisse ihrer Berechnungen gemeinsam und erfahren so zum Beispiel alle, dass das Gehirn an einer bestimmten Stelle eine Verletzung aufweist. Die Wissenschaftler können die aus Daten gewonnenen Einblicke mit ihren Kooperationspartnern teilen und auf diese Weise die Forschungsarbeiten aller Beteiligten voranbringen. Die Daten bleiben jedoch immer lokal gespeichert. Die Algorithmen fließen zu den Daten und nicht umgekehrt. Sicherheit wird programmatisch und nicht mehr nur verwaltet.

„Durch die Beschleunigung unserer Forschungsarbeiten trägt Memory-Driven Computing auch dazu bei, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass wir in kürzerer Zeit einen therapeutischen Ansatz für Alzheimer finden werden.“

Professor Dr. Pierluigi Nicotera
Wissenschaftlicher Vorstand und Vorstandsvorsitzender, DZNE

Die Forscher beim DZNE und bei HPE haben in enger Zusammenarbeit die DNZE-Algorithmen für die Vorverarbeitung der Genomikdaten angepasst, um die Memory-Driven-Programmierverfahren nutzen zu können.  Beim DZNE freute man sich darüber, dass ein bisher 22 Minuten dauernder Prozess auf 2,5 Minuten verkürzt werden konnte. Dieses Zeitfenster ließ sich durch etwas Feincodierung auf 69 Sekunden und mittlerweile auf 13 Sekunden verringern. Dies spiegelt eine hundertfach bessere Verarbeitungsgeschwindigkeit nach nur drei Monaten Arbeit wider! Beim DZNE ist man der Überzeugung, dass die neue Architektur auch in der Lage sein wird, die gesamten Berechnungspipelines um das Hundertfache zu beschleunigen.

Das DZNE erforscht Biomarker, die Auskunft über die Wahrscheinlichkeit geben, dass sich bei einem jungen Menschen in seinem späteren Leben eine neurologische Erkrankung entwickelt. Des Weiteren sucht man nach neuen Heilverfahren. Mit dem Potenzial von Memory-Driven Computing ist man im DZNE überzeugt, dass all dies deutlich schneller zu Ergebnissen führen kann, als man bisher dachte.

100-fach

erwartete Steigerung bei der Analysegeschwindigkeit sorgt für weniger Engpässe in der Forschung

60 %

geringerer Stromverbrauch trägt zu niedrigeren Forschungsausgaben bei

Eine Brücke zum Memory-Driven Computing

Das DZNE nutzte seine HPE Integrity Superdome X Lösung als Testumgebung für die Memory-Driven Computing-Programmierverfahren