L'institut de recherche allemand teste le memory driven computing pour lutter contre les maladies neurodégénératives

Avec le vieillissement de la population mondiale, le bilan humain et économique des maladies neurodégénératives actuellement incurables, telles que la maladie d'Alzheimer, s’alourdit à une vitesse stupéfiante. DZNE lutte contre ces maladies grâce aux analyses de big data, mais les limites des systèmes informatiques traditionnels constituent un goulet d'étranglement majeur. En quête d'une solution révolutionnaire, DZNE a découvert le memory driven computing de HPE, et a constaté des améliorations exceptionnelles dans la vitesse de calcul, offrant de nouvelles perspectives prometteuses dans la lutte contre la maladie d’Alzheimer.

Une bombe à retardement mondiale

Avec le vieillissement de la population mondiale, les maladies du cerveau, telles que la maladie d’Alzheimer, touchent des millions de personnes et coûtent plus de mille milliards de dollars

Accélérer la recherche sur la maladie d'Alzheimer – DZNE & Hewlett Packard Enterprise stimulent le calcul afin de faire progresser la recherche. En savoir plus sur l'Informatique axée sur la mémoire.

Retrouvez dans cette vidéo : le professeur Pierluigi Nicotera, Directeur scientifique & Directeur général, Centre allemand des maladies neurodégénératives – DZNE.

Le professeur Joachim Schulze, MD Professeur de génomique et d'immuno-régulation – Université de Bonn.

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Accélérer la recherche sur la maladie d'Alzheimer

Les maladies neurodégénératives, comme les maladies d’Alzheimer,de Parkinson, de Charcot ou de Huntington, ou encore la sclérose en plaques, se développent lorsque les neurones et la moelle épinière se détériorent. Les symptômes peuvent être légers au début : problèmes de coordination ou difficultés à se rappeler de noms. Mais à mesure que les neurones meurent, les patients perdent la capacité à penser clairement, à marcher de manière indépendante et à avoir une activité. Un grand nombre de ces maladies sont mortelles.

Les maladies neurodégénératives ayant tendance à frapper tard au cours de la vie, le nombre de cas devrait s'envoler avec le vieillissement de la population. La croissance la plus rapide quant au vieillissement de la population a lieu en Chine, en Inde, en Asie du Sud et dans la région du Pacifique occidental.

La démence, ou les problèmes liés aux fonctions mentales, est l'un des effets les plus invalidants des maladies neurodégénératives. Le nombre de patients souffrant de démence double tous les 20 ans et ce nombre devrait dépasser les 130 millions dans le monde d'ici 2050. Une personne commence à souffrir de démence toutes les trois secondes dans le monde. D’après les estimations, les trois quarts de personnes souffrant de démence n'ont pas encore été diagnostiqués. À ce problème s’ajoute le fait que, lorsque le diagnostic est posé, il est souvent trop tard. Le mal est déjà fait.

« Si nous n'arrêtons pas la progression, au niveau mondial, du nombre de personnes développant des symptômes de démence, d'ici 2050 nous aurons besoin de l’équivalent du PIB actuel des États-Unis pour les traiter. »

Professeur Pierluigi Nicotera
Ph.D., Directeur scientifique et Président du conseil d'administration, DZNE

Le coût annuel global de la démence dépassera mille milliards de dollars d'ici 2018. Cela comprend les soins non réglés par les familles et autres ; les soins sociaux réalisés par les soignants professionnels ; et les soins médicaux. Si les soins liés à la démence au niveau mondial étaient un pays, il s'agirait de la 18e plus grande économie au monde.

En dépit de l'urgence à trouver des remèdes, les avancées sont lentes, en raison principalement de la complexité des systèmes affectés. Le cerveau humain a 1 000 fois plus de connexions neuronales qu’il n’y a d’étoiles dans notre galaxie. Les chercheurs doivent comprendre comment fonctionnent le cerveau, la génétique sous-jacente, les fonctions cellulaires et intra-cellulaires, les facteurs environnementaux qui déclenchent ces troubles, et comment tout cela interagit au fil des décennies.

Le nombre et le type de données générés par ces recherches sont immenses et variés. Dans la course pour soigner les maladies neurodégénératives, les limitations analytiques des systèmes informatiques traditionnels constituent une entrave majeure.

1 M

de personne souffrant de problèmes neurologiques au niveau mondial

24 M

de patients atteint de la maladie d'Alzheimer

1 B de $

de coût global de la démence d'ici 2018

Lutter contre les maladies neurodégénératives

L'institut de recherche allemand lutte contre les maladies du cerveau, comme les maladies d’Alzheimer et de Parkinson

« Nous voulons utiliser la technologie la plus moderne pour répondre aux questions du type : Pourquoi sommes-nous atteints de la maladie d'Alzheimer ? Comment pouvons-nous l'empêcher ? »

Professeur Joachim L. Schultze
Ph.D., Directeur, plate-forme PRECISE pour la génomique à cellule unique et épigénomique, DZNE

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) est une institution de recherche fondée par le Ministère fédéral allemand chargé de l'éducation et de la recherche pour lutter contre les maladies neurodégénératives telles que les maladies d’Alzheimer et de Parkinson et la sclérose en plaques. DZNE exploite la recherche clinique, les études sur la population et la recherche de santé, impliquant d’importants volumes de données. Ses chercheurs travaillent sur neuf sites répartis dans toute l'Allemagne et ils travaillent en étroite collaboration avec les universités, les hôpitaux universitaires et autres partenaires de recherche.

1 000

employés de DZNE étudient les maladies du cerveau

80

groupes de travail développent de nouvelles approches préventives et thérapeutiques

9

sites en Allemagne

Percer les secrets d'une détection précoce

Les projets de recherche défient les limites de la technologie

 

Les chercheurs savent que les processus des maladies entraînant la démence commencent des décennies avant la manifestation des symptômes, mais ils ne savent pas exactement comment. Repliement de protéines erroné ? Inflammation ? La clé : une meilleure compréhension pour la prévention, le diagnostic et le traitement.

« Nous recherchons les petites différences qui expliquent pourquoi une maladie se développe chez un patient et pas chez un autre. Mais nous avons besoin de nouvelles technologies pour réunir toutes ces données et pour comparer les ensembles de données entre eux afin de comprendre ce qu'ils signifient. »

Professeur Pierluigi Nicotera
Ph.D., Directeur scientifique et Président du conseil d'administration, DZNE

DZNE dirige une étude de la population allemande, portant sur 30 000 personnes tous les trois ans et durant toute leur vie, afin de détecter les changements de démarche, d’odorat et autres facteurs pertinents à la détection précoce de la maladie d'Alzheimer. Tout comme les autres projets de DZNE, cela implique des quantités massives de données corrélées pour détecter les petites variations qui indiquent des différences significatives sur les personnes qui seront touchées par la maladie d'Alzheimer.

Un tel travail requiert de la collaboration, à la fois géographique et interdisciplinaire, y compris entre la médecine, les sciences de la vie, les mathématiques, la physique, l'informatique et les sciences de l'informatique. Basée dans toute l'Allemagne, DZNE collabore avec des partenaires internationaux sur les recherches pour défier les limites des possibilités technologiques. Avec le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurologiques se propagent, représentant, selon certains, une bombe à retardement majeure.

30 ans

d’étude de la population

30 000

personnes suivies

La lenteur des systèmes entrave le progrès

Les exigences analytiques surpassent la capacité de l'architecture informatique traditionnelle.

 

Les limitations informatiques deviennent un goulet d'étranglement majeur dans la lutte contre les maladies neurodégénératives. Les systèmes informatiques traditionnels sont trop lents pour les pétaoctets de données de DZNE, la multiplicité des sources de données et la complexité des pipelines de calcul.

DZNE utilise des informations de génomique, imagerie cérébrale et études cliniques, qui doivent être consultées et analysées en toute sécurité pour protéger la confidentialité des patients. Ces ensembles de données immenses et variés n'étaient pas conçus pour collaborer et sont souvent incompatibles. Toutefois, les chercheurs veulent effectuer des calculs intenses sur ces ensembles de données, notamment la corrélation des marqueurs génétiques avec l'imagerie cérébrale.

« Nous avons besoin de la puissance de calcul pour comprendre ces maladies complexes à de nombreux niveaux : génomique, imagerie cérébrale, contrôle des patients sur la durée. La médecine moderne sera connectée par calcul. »

Professeur Joachim L. Schultze
Ph.D., Directeur, plate-forme PRECISE pour la génomique à cellule unique et épigénomique, DZNE

Le chargement des données peut prendre des semaines et même plus longtemps pour effectuer des calculs. La transmission des données n'est pas faisable, même avec les connectivités Internet les plus rapides. Un chercheur en génomique charge ses données sur un disque dur et les envoie par camion à DZNE.

L'objectif de DZNE est d'accélérer ces processus, pour arrêter le transport des données brutes et les analyser localement, tout en donnant aux différents partenaires un accès centralisé aux résultats qu'ils peuvent utiliser dans leurs recherches. Cela requiert une nouvelle approche de l'architecture de calcul.

L'informatique axée sur la mémoire répond à cette vision

DNZE exploite la nouvelle architecture informatique pionnière de HPE pour le Big Data

 

DZNE recherchait un moyen de travailler avec les données génomiques, rapidement et de manière décentralisée, sans perdre de temps à transmettre les données entre collaborateurs ou même entre ses niveaux de calcul sur site. L'informatique axée sur la mémoire de Hewlett Packard Enterprise fournit la solution.

L'informatique axée sur la mémoire est une nouvelle architecture informatique dont l'objectif est de transformer l'architecture informatique conventionnelle dans son ensemble. Dans les systèmes informatiques traditionnels, des quantités relativement petites de mémoire sont attachées à chaque processeur. Les inefficacités résultantes limitent les performances ; on estime que 90 % des travaux sont consacrés au déplacement des informations de processeur à processeur et entre les niveaux de mémoire et de stockage.

« L'informatique axée sur la mémoire fournit exactement ce que nous recherchons. En stockant une grande quantité de données en mémoire, nous obtenons un système bien plus rapide qui peut accélérer nos pipelines de calcul. »

Professeur Joachim L. Schultze
Ph.D., Directeur, plate-forme PRECISE pour la génomique à cellule unique et épigénomique, DZNE

Avec une informatique axée sur la mémoire, tous les processeurs obtiennent un accès égal à un groupe de mémoire partagée, supprimant les va-et-vient. Cela permet d'obtenir une vitesse, une fiabilité et une efficacité énergétique sans précédent, ainsi que des moyens pour exploiter les quantités énormes de données, exploitation impossible jusqu'à présent. HPE a introduit son prototype d'informatique axée sur la mémoire en 2017. Appelée « The machine », elle comporte une mémoire rapide de 160 téraoctets, ce qui en fait le plus grand système à mémoire unique jamais construit.

Excités par les promesses de le memory driven computing, les dirigeants de DZNE ont sélectionné un cas d'utilisation particulièrement problématique, s'attaquant à un algorithme existant qui était déjà « presque optimal » pour le pré-traitement des données génomiques. L'objectif était de savoir si, en apportant des petits changements à l'aide des techniques d'informatique axée sur la mémoire, cela améliorerait l'étape en cours, exécutée aussi rapidement que les technologies actuelles peuvent le permettre.

Les résultats ont galvanisé DZNE.

La puissance de calcul permet d'accélérer les recherches

L'informatique axée sur la mémoire rapproche comme jamais le diagnostic précoce et le traitement

 

DZNE voit dans le memory driven computing une technologie révolutionnaire qui peut libérer la créativité des chercheurs dans la résolution des problèmes et accélérer la recherche pour la prévention et les remèdes aux maladies. Disposer de tous les ensembles de données, volumineux et souvent incompatibles, disponibles au même moment en mémoire, élimine le goulet d'étranglement de calcul qui a freiné la recherche génomique et médicale.

En plus d'être plus rapide et plus efficace, le memory driven computing est sécurisée de manière inhérente. Plutôt que d'envoyer des données brutes, comme des scintigraphies cérébrales, les partenaires de recherche partagent les résultats de leurs calculs, par exemple, si le cerveau comporte une lésion à un endroit. Les connaissances issues des données peuvent être partagées avec des collaborateurs pour faire progresser la recherche de tous, mais les données restent au niveau local ; les algorithmes vont vers les données plutôt que l'inverse. La sécurité devient programmatique plutôt qu'administrative.

« En accélérant nos recherches, le memory driven computing augmente la probabilité de trouver très rapidement une thérapie pour la maladie d'Alzheimer. »

Professeur Pierluigi Nicotera
Ph.D., Directeur scientifique et Président du conseil d'administration, DZNE

Les chercheurs de DZNE et HPE ont travaillé ensemble à l'adaptation de l'algorithme de DZNE pour le pré-traitement des données génomiques afin d'utiliser les techniques de programmation axées sur la mémoire.  DZNE a constaté une baisse du délai de traitement de 22 minutes à 2,5 minutes, puis 69 secondes et à présent à 3 secondes avec certaines modifications du codage supplémentaires. Il s'agit d'une multiplication par 100 de la vitesse après seulement trois mois de fonctionnement ! DZNE pense que la nouvelle architecture peut finalement accélérer et multiplier par 100 tous ses pipelines de calcul.

DZNE recherche des biomarqueurs qui indiquent la probabilité qu'une jeune personne développe une maladie neurologique à un stade plus avancé de la vie. Et recherche des remèdes. Grâce aux promesses de le memory driven computing, DZNE pense que tout cela peut se produire bien plus tôt que cela n'a jamais été possible.

Par 100

L'augmentation anticipée de la vitesse d'analyse fait éclater les goulets d'étranglement de la recherche.

60 %

Réduction de l’alimentation électrique et donc des coûts de la recherche

Un pont vers le memory driven computing

DZNE a utilisé le serveur Integrity Superdome X de HPE comme banc d'essai pour les techniques de programmation de le memory driven computing