Instituto alemão de pesquisas testa a computação baseada em memória para lutar contra doenças neurodegenerativas

Conforme a população do mundo envelhece, as consequências humanas e econômicas das doenças neurodegenerativas incuráveis, como o Alzheimer, aumentam enormemente. O DZNE luta contra essas doenças, usando análise de Big Data, mas as limitações dos sistemas de computação tradicionais criam um grande gargalo. Procurando uma solução revolucionária, o DZNE encontrou a computação baseada em memória da HPE—e conseguiu melhorias sem precedentes nas velocidades computacionais, trazendo novas esperanças na luta contra o Alzheimer.

Uma bomba-relógio global

Conforme a população do mundo envelhece, as doenças no cérebro, como o Alzheimer, atingem milhões de pessoas e custam mais de um trilhão de dólares

Acelerando a pesquisa sobre o Alzheimer – O DZNE e a Hewlett Packard Enterprise dão uma injeção de ânimo computacional para avançar as pesquisas. Saiba mais sobre a computação baseada em memória.

Participações neste vídeo: Prof. Pierluigi Nicotera, Diretor científico e CEO do Centro Alemão para Doenças Neurodegenerativas – DZNE.

Prof. Joachim Schulze, Professor-doutor de Genômica e Imunorregulação da Universidade de Bonn, Alemanha.

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Doenças neurodegenerativas – como Alzheimer, Parkinson, esclerose múltipla, doença de Lou Gehrig e Huntington – ocorrem quando os neurônios no cérebro e na coluna vertebral se deterioram. No início, os sintomas podem ser discretos: problemas de coordenação ou dificuldades para lembrar nomes. Mas, conforme mais e mais neurônios morrem, as pessoas perdem a habilidade de pensar claramente, andar de forma independente e conviver com o mundo. No final, muitas dessas doenças são fatais.

Como as doenças neurodegenerativas tendem a aparecer em pessoas com idade avançada, espera-se que a incidência dessas doenças dispare, conforme a população envelhece. O aumento mais rápido no número de idosos está acontecendo na China, na Índia, na Ásia Meridional e no Pacífico Ocidental.

A demência – problemas com o funcionamento mental – é um dos efeitos mais debilitantes das doenças neurodegenerativas. O número de pessoas com demência dobra a cada 20 anos; espera-se que ultrapasse as 130 milhões de pessoas, no mundo todo, por volta de 2050. Uma pessoa no mundo desenvolve demência a cada três segundos. As estimativas são de que 3/4 das pessoas com demência ainda não foram diagnosticadas. Para piorar a situação, na hora em que se consegue um diagnóstico, já é tarde demais. O estrago já está feito.

  • "Se não não pararmos o aumento no número de pessoas com demência no mundo inteiro, em 2050 precisaremos de todo o PIB atual dos Estados Unidos para tratá-las."

    Professor Pierluigi Nicotera, Ph.D., diretor científico e presidente do Conselho Executivo do DZNE

O custo global anual da demência deve ultrapassar US$ 1 trilhão, por volta de 2018. Isso inclui cuidados não pagos prestados pela família e por outras pessoas, assistência social por cuidadores profissionais e assistência médica. Se os cuidados globais com a demência fossem um país, ele seria a 18ª maior economia do mundo.

Apesar da urgência para se encontrar a cura, o progresso tem sido lento, devido, principalmente, à complexidade dos sistemas afetados. O número de conexões neurológicas do cérebro humano é 1.000 vezes o número de estrelas em nossa galáxia. Os pesquisadores precisam compreender como o cérebro funciona, a genética subjacente, as funções celulares e intracelulares, os fatores ambientais que provocam as desordens e como tudo isso interage durante décadas.

Esse tipo de pesquisa gera quantidades enormes e tipos diferentes de dados. Na corrida para curar as doenças neurodegenerativas, as limitações de análise dos sistemas de computação tradicionais têm sido um grande problema.

1 bilhão

De pessoas, no mundo todo, tem desordens neurológicas

24 milhões

Delas têm Alzheimer

US$ 1 trilhão

Será o custo global da demência em 2018

Lutando contra as doenças neurodegenerativas

Instituição alemã de pesquisa luta contra doenças do cérebro, como Alzheimer e Parkinson

  • "Queremos usar as tecnologias mais modernas para responder a perguntas como ‘por que desenvolvemos Alzheimer? Como podemos evitar isso?’."

    Professor Joachim L. Schultze, Ph.D., diretor da plataforma de genômica e epigenômica para células únicas PRECISE do DZNE

O Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) é uma instituição de pesquisa criada pelo Ministério de Educação e Pesquisa do Governo da Alemanha para lutar contra doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e esclerose múltipla. O DZNE conduz pesquisas médicas, estudos populacionais e pesquisas de assistência médica envolvendo quantidades enormes de dados. Seus pesquisadores estão distribuídos em nove locais na Alemanha e trabalham em estreita colaboração com universidades, hospitais universitários e outros parceiros de pesquisa.

1.000

Funcionários do DZNE estudam doenças do cérebro

80

Grupos de trabalho desenvolvendo novas abordagens preventivas e terapêuticas

9

Instalações na Alemanha

Descobrindo os segredos do diagnóstico precoce

Projetos de pesquisa que desafiam os limites da tecnologia

 

Os pesquisadores sabem que os processos que levam à demência começam décadas antes de os sintomas se manifestarem, mas eles não sabem exatamente como. Má formação de proteínas? Inflamações? Mais conhecimento é a base para prevenção, diagnóstico e tratamento.

  • "Estamos procurando as pequenas diferenças que explicam por que as doenças se desenvolvem em uma pessoa e não em outra. Mas precisamos de novas tecnologia para agrupar todos esses dados e comparar conjuntos de dados uns com os outros, para entendermos o que eles significam."

    Professor Pierluigi Nicotera, Ph.D., diretor científico e presidente do Conselho Executivo do DZNE

O DZNE está liderando um estudo populacional na Alemanha, que examina um grupo de até 30.000 pessoas a cada três anos, ao longo de toda a vida, para detectar alterações em seu caminhar, olfato e outros fatores relevantes para a detecção precoce do Alzheimer. Como outros projetos do DZNE, esse envolve quantidades enormes de dados correlacionados para detectar as pequenas variações que indicam diferenças significativas em quem terá Alzheimer.

Um projeto desses requer colaboração – tanto entre regiões quanto entre disciplinas, incluindo medicina, ciências biológicas, matemática, física, informática e ciências da computação. Presente em vários pontos da Alemanha, o DZNE trabalha com parceiros globais na pesquisa que desafia os limites das possibilidades tecnológicas. Enquanto isso, com o envelhecimento da população mundial, as doenças neurológicas estão se espalhando, o que alguns chamam de “bomba-relógio geriátrica”.

30

Anos para um estudo populacional em andamento

30.000

Pessoas monitoradas

Sistemas lentos atrapalham o progresso

As demandas de análise superam a capacidade da arquitetura de computação tradicional

 

As limitações da TI tornaram-se um dos principais gargalos na luta as contra doenças neurodegenerativas. Os sistemas de computação tradicionais são muito lentos para os petabytes de dados, a multiplicidade das fontes de dados e os complexos fluxos computacionais do DZNE.

O DZNE usa informações de genômica, imagens cerebrais e estudos clínicos, que precisam ser acessados e analisados com segurança para proteger a privacidade dos pacientes. Esses conjuntos enormes e distintos de dados não foram projetados para funcionar juntos e, frequentemente, são incompatíveis. Ainda assim, os pesquisadores precisam executar uma grande quantidade de cálculos envolvendo vários conjuntos de dados, como correlacionar marcadores genéticos com imagens do cérebro.

  • "Nós precisamos do poder computacional para compreender essas complexas doenças em vários níveis: genômica, imagens do cérebro e acompanhamento do paciente ao longo do tempo. A medicina moderna estará vinculada à computação."

    Professor Joachim L. Schultze, Ph.D., diretor da plataforma de genômica e epigenômica para células únicas PRECISE do DZNE

Pode demorar semanas para carregar os dados e ainda mais tempo para fazer cálculos com eles. Até a transmissão desses dados é impraticável, mesmo com as mais rápidas conexões de Internet. Um pesquisador de genoma coloca os dados em um disco rígido e os envia de caminhão para o DZNE.

O DZNE quer acelerar esses processos – parar de transportar dados brutos e começar a analisá-los localmente, ao mesmo tempo que oferece, aos parceiros colaboradores, acesso centralizado aos resultados que eles podem usar em seus estudos de pesquisa. Isso requer uma nova abordagem para a arquitetura dos computadores.

A computação baseada em memória transforma a visão em realidade

O DZNE recorre à nova arquitetura pioneira de computação para Big Data da HPE

 

O DZNE queria um jeito de trabalhar rapidamente com dados genômicos, de forma descentralizada, sem perder tempo transmitindo dados entre colaboradores ou até mesmo entre camadas de computação no local. A computação baseada em memória da Hewlett Packard Enterprise trouxe a solução.

A computação baseada em memória é uma nova arquitetura de computação que pretende revolucionar a arquitetura de computação convencional. Nos sistemas de computação tradicional, quantidades relativamente pequenas de memória são ligadas a cada processador. A ineficiência resultante limita o desempenho, com a estimativa de que 90% do trabalho seja para mover as informações de processador para processador e entre camadas de memória e armazenamento.

  • "A computação baseada em memória oferece exatamente o que estamos procurando. Ao armazenar uma grande quantidade de dados em memória, temos um sistema muito mais rápido que pode acelerar nossas cadeias computacionais."

    Professor Joachim L. Schultze, Ph.D., diretor da plataforma de genômica e epigenômica para células únicas PRECISE do DZNE

Com a computação baseada em memória, todos os processadores têm acesso igual a um pool de memória compartilhada, eliminando o vai e vem. Isso oferece velocidade, confiabilidade e eficiência energética sem precedentes, além de maneiras de dominar enormes quantidades de dados que eram impossíveis até agora. A HPE apresentou seu protótipo de computação baseada em memória em 2017. Chamado de “The Machine” (A Máquina), ele tem 160 terabytes de memória rápida, fazendo dele o maior sistema de memória única já criado.

Animados pelas promessas da computação baseada em memória, os líderes do DZNE selecionaram um caso de uso particularmente desafiador, envolvendo um algoritmo que já estava “praticamente ideal” para o pré-processamento de dados genômicos. O objetivo era ver se fazer pequenas alterações, usando as técnicas de computação baseada em memória, poderia melhorar uma etapa que já estava na velocidade máxima que a tecnologia atual poderia permitir.

Os resultados deixaram o DZNE animadíssimo.

Uma injeção de ânimo computacional acelera as pesquisas

A computação baseada em memória deixa o diagnóstico e o tratamento precoces mais próximos do que nunca

 

O DZNE vê a computação baseada em memória como uma tecnologia revolucionária que pode dar asas à capacidade criativa dos pesquisadores para resolver problemas e acelerar as pesquisas de prevenção e cura de doenças. Ter todos os grandes – e frequentemente incompatíveis – conjuntos de dados disponíveis na memória de uma só vez elimina os gargalos computacionais que atrapalhavam as pesquisas genômicas e médicas.

Além de ser mais rápida e mais eficiente, a computação baseada em memória é intrinsecamente mais segura. Em vez de mandar dados brutos – como tomografias – os parceiros de pesquisa compartilham os resultados de seus cálculos, por exemplo, uma lesão em um determinado local do cérebro. Os insights dos dados podem ser compartilhados com os colaboradores, para ajudar as pesquisas de todos, mas os dados ficam no local; os algoritmos vão até os dados, e não o contrário. A segurança torna-se parte da programação, não da administração.

  • "Ao acelerar nossa pesquisa, a computação baseada em memória aumenta a probabilidade de encontrarmos um tratamento para o Alzheimer em pouco tempo."

    Professor Pierluigi Nicotera, Ph.D., diretor científico e presidente do Conselho Executivo do DZNE

O DZNE e os pesquisadores da HPE trabalharam juntos para adaptar o algoritmo de pré-processamento de dados genômicos do DZNE para usar técnicas de programação baseadas em memória.  O DZNE viu um processo de 22 minutos cair para 2,5 minutos, depois para 69 segundos e, no final, para 13 segundos, com algumas mudanças extras no código. Esse é um aumento de mais de 100x depois de apenas três meses de trabalho! O DZNE acredita que essa nova arquitetura poderá acelerar todos os seus fluxos computacionais em 100x.

O DZNE está procurando biomarcadores que indiquem a probabilidade de uma pessoa jovem desenvolver uma doença neurológica quando tiver mais idade. Ele está procurando a cura. Graças às possibilidades da computação baseada em memória, o DZNE acredita que tudo isso pode acontecer bem mais cedo do que se esperava.

100x

De aumento antecipado na velocidade das análises eliminando os gargalos da pesquisa

60%

De redução no consumo de energia, diminuindo os custos das pesquisas

Um caminho para a computação baseada em memória

O DZNE usou seu HPE Integrity Superdome X como uma base de testes para técnicas de programação de computação baseada em memória