Un istituto di ricerca tedesco sperimenta il memory-driven computing per combattere le malattie neurodegenerative

Con l’invecchiamento della popolazione mondiale, l’impatto umano ed economico delle malattie neurodegenerative attualmente incurabili quali l’Alzheimer sta crescendo in modo impressionante. DZNE combatte queste malattie sfruttando l’analisi dei Big Data, ma i limiti dei sistemi informatici tradizionali si sono rivelati un collo di bottiglia difficile da superare. Alla ricerca di una soluzione rivoluzionaria, DZNE ha scoperto il memory-driven computing di HPE e ha osservato straordinari miglioramenti nella velocità di elaborazione, che ripongono nuove speranze nella lotta contro l’Alzheimer.

Una bomba a orologeria a livello globale

Con l’invecchiamento della popolazione mondiale, le malattie neurodegenerative come l’Alzheimer colpiscono milioni di persone il loro costo supera i mille miliardi di dollari

Accelerare la ricerca sull’Alzheimer: DZNE e Hewlett Packard Enterprise aggiungono potenza di calcolo per far progredire la ricerca. Scopri di più sul memory-driven computing.

Presente in questo video: Prof. Pierluigi Nicotera, CEO e Direttore Scientifico del German Center for Neurodegenerative Disease – DZNE.

Prof. Joachim Schulze, Professore di Genomica e Immunoregolazione – Università di Bonn.

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Accelerare la ricerca sull’Alzheimer

Malattie neurodegenerative, come l’Alzheimer, il Parkinson, la sclerosi multipla, la sclerosi laterale amiotrofica e la malattia di Huntington si sviluppano a causa del deterioramento dei neuroni nel cervello e nel midollo spinale. I sintomi inizialmente possono essere lievi: problemi di coordinazione e nel ricordare i nomi. Ma con la morte di un numero maggiore di neuroni, gli individui non sono più in grado di pensare in modo chiaro, camminare da soli e affrontare la vita di tutti i giorni. Molte di queste malattie si rivelano fatali.

Dato che le malattie neurodegenerative tendono a colpire persone in età avanzata, è previsto un notevole aumento della loro incidenza dovuto all’invecchiamento della popolazione. L’aumento più rapido della popolazione anziana si sta verificando in Cina, India, Asia meridionale e Pacifico occidentale.

La demenza, vale a dire problemi della funzionalità mentale, è uno degli effetti maggiormente debilitanti delle malattie neurodegenerative. Il numero di persone che convive con la demenza raddoppia ogni 20 anni e si prevede supererà i 130 milioni in tutto il mondo entro il 2050. Nel mondo ogni tre secondi una persona sviluppa una forma di demenza. Secondo le stime, a tre quarti delle persone colpite da demenza, tale disturbo non è stato ancora diagnosticato. Il problema è peggiorato dal fatto che, spesso, quando viene effettuata una diagnosi è troppo tardi e il danno è già stato fatto.

  • "Se non arrestiamo l’aumento del numero di persone che, in tutto il mondo, sviluppano la demenza, entro il 2050 avremo bisogno dell’intero PIL degli Stati Uniti per poterle curare".

    Professor Pierluigi Nicotera, Ph.D., Direttore Scientifico e Presidente del Comitato Esecutivo di DZNE

Secondo le previsioni, il costo annuo globale della demenza supererà i mille miliardi di dollari entro il 2018. Queste stime includono assistenza non pagata da parte di familiari e di altri, l’assistenza sociale fornita da badanti professionisti e le cure mediche. Se l’assistenza globale a persone affette da demenza fosse un Paese, sarebbe la diciottesima economia al mondo.

Nonostante la necessità di trovare cure, i progressi sono stati lenti, soprattutto a causa della complessità dei sistemi colpiti. Il numero di connessioni neuronali nel cervello umano è 1.000 volte quello delle stelle nella nostra galassia. I ricercatori devono comprendere il funzionamento del cervello, la genetica sottostante, le funzioni cellulari e intracellulari, i fattori ambientali che provocano disturbi e come tutti questi aspetti interagiscono nel corso di decenni.

La quantità e i tipi di dati generati da tale ricerca sono enormi e diversificati. Nella corsa alla ricerca di una cura per le malattie neurodegenerative, i limiti analitici dei sistemi informatici tradizionali hanno rappresentato un importante ostacolo.

1 miliardo

Persone al mondo che soffrono di disturbi neurologici

24 milioni

Di questi soffrono di Alzheimer

1.000 miliardi di dollari

Costo della demenza nel mondo entro il 2018

Combattere le malattie neurodegenerative

Un istituto di ricerca tedesco combatte le malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e il Parkinson

  • "Vogliamo utilizzare la tecnologia più moderna per rispondere a domande quali “Perché sviluppiamo l’Alzheimer? Come possiamo prevenirlo?”"

    Professor Joachim L. Schultze, Ph.D., Director, PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE

Il Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) è un istituto di ricerca fondato dal Ministero federale tedesco dell’istruzione e della ricerca allo scopo di combattere le malattie neurodegenerative come l’Alzheimer, il Parkinson e la sclerosi multipla. DZNE sfrutta la ricerca clinica, gli studi sulla popolazione e la ricerca sanitaria, utilizzando quantità enormi di dati. I suoi ricercatori sono dislocati in nove sedi in tutta la Germania e collaborano a stretto a contatto con università, ospedali universitari e altri partner di ricerca.

1.000

Dipendenti di DZNE che studiano le malattie del cervello

80

Gruppi di lavoro che stanno sviluppando nuovi approcci preventivi e terapeutici

9

Sedi in tutta la Germania

Svelare i segreti della diagnosi precoce

I progetti di ricerca sfidano i limiti della tecnologia

 

I ricercatori sanno che i processi patologici che portano alla demenza hanno inizio decenni prima che si manifestino i sintomi, ma non sanno esattamente come. Misfolding proteico? Infiammazione? Una migliore comprensione è fondamentale per la prevenzione, la diagnosi e il trattamento.

  • "Stiamo cercando le piccole differenze che spiegano perché alcune persone sviluppano le malattie e altre no. Ma abbiamo bisogno di nuove tecnologie per tenere insieme tutti questi dati e confrontare i set di dati tra di loro e comprenderne il significato".

    Professor Pierluigi Nicotera, Ph.D., Direttore Scientifico e Presidente del Comitato Esecutivo di DZNE

DZNE sta conducendo uno studio sulla popolazione tedesca che esamina fino a 30.000 persone ogni tre anni nel corso della loro vita per rilevare i cambiamenti nell’andatura, nell’olfatto e in altri fattori rilevanti per la diagnosi precoce dell’Alzheimer. Come per altri progetti di DZNE, anche questo prevede enormi quantità di dati correlati per rilevare le piccole variazioni che indicano differenze significative in coloro che svilupperanno l’Alzheimer.

Tale lavoro richiede collaborazione tra diversi luoghi e diverse discipline tra cui medicina, life sciences, matematica, fisica, informatica e scienze informatiche. DZNE ha diverse sedi in tutta la Germania e collabora con partner in tutto il mondo alla ricerca che va oltre i limiti delle possibilità tecnologiche. Intanto, con l’invecchiamento della popolazione, le malattie neurologiche si diffondono come una bomba a orologeria.

30

Durata in anni dello studio in corso sulla popolazione

30.000

Soggetti monitorati

I sistemi lenti ostacolano i progressi

Le esigenze analitiche superano la capacità dell’architettura informatica tradizionale

 

I limiti dell’IT sono diventati un notevole collo di bottiglia nella lotta alle malattie neurodegenerative. I sistemi di elaborazione tradizionali sono troppo lenti per i petabyte di dati, la molteplicità di fonti di dati e le complesse pipeline di calcolo di DZNE.

DZNE usa informazioni dalla genomica, dall’imaging cerebrale e da studi clinici, a cui è necessario accedere e che devono essere analizzata in sicurezza per proteggere la privacy dei pazienti. Questi set di dati enormi e diversificati non sono stati progettati per lavorare insieme e sono spesso incompatibili. Tuttavia i ricercatori desiderano effettuare calcoli complessi tra set di dati, come la correlazione tra marcatori genetici e imaging del cervello.

  • "Ci serve la potenza di elaborazione necessaria a comprendere queste malattie complicate a diversi livelli: genomica, imaging cerebrale e monitoraggio dei pazienti nel tempo. Il calcolo e la medicina moderna saranno strettamente collegati".

    Professor Joachim L. Schultze, Ph.D., Director, PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE

Il caricamento dei dati potrebbe richiedere settimane o più per l’esecuzione dei calcoli. Anche la trasmissione dei dati non è fattibile, persino con i collegamenti Internet più rapidi. Un ricercatore nel campo della genomica carica i propri dati su un disco rigido e lo invia con un furgone a DZNE.

DZNE punta ad accelerare questi processi per evitare l trasporto dei dati grezzi e analizzarli a livello locale, fornendo nel contempo ai partner un accesso centralizzato ai risultati che possono utilizzare nei loro studi di ricerca. Questo richiede un nuovo approccio all’architettura informatica.

Il memory-driven computing è in grado di soddisfare questi obiettivi

DNZE sfrutta la nuova architettura informatica rivoluzionaria di HPE per i big data

 

DNZE aveva bisogno di un metodo per lavorare rapidamente con i dati genomici e in modo decentralizzato senza sprecare tempo con la trasmissione tra collaboratori o perfino tra i tier dei suoi computer in loco. Il memory-driven computing di Hewlett Packard Enterprise è la soluzione.

Il memory-driven computing è una nuova architettura informatica che punta a trasformare completamente l’architettura tradizionale. In sistemi informatici tradizionali, quantità relativamente piccole di memoria sono ancorate o ogni processore. Le conseguenti inefficienze limitano le prestazioni: si stima che il 90% del lavoro sia dedicato allo spostamento di informazioni da processore a processore e tra tier di memoria e storage.

  • "Il memory-driven computing offre esattamente quello che stiamo cercando. Conservando molti dati in memoria, possiamo contare su un sistema decisamente più rapido, in grado di accelerare le nostre pipeline di calcolo".

    Professor Joachim L. Schultze, Ph.D., Director, PRECISE Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics, DZNE

Con il memory-driven computing, tutti processori hanno pari accesso a un pool di memoria condivisa, eliminando i diversi trasferimenti. Questo garantisce velocità, affidabilità ed efficienza energetica senza precedenti, e gli enormi set di dati possono essere sfruttati in modi totalmente nuovi, impossibili fino ad ora. HPE ha introdotto il suo prototipo di memory-driven computing nel 2017. Chiamato The Machine, è dotato di 160 terabyte di memoria veloce che lo rendono il più grande sistema a memoria singola mai realizzato.

Entusiasmati dalle potenzialità del memory-driven computing, i responsabili di DZNE hanno scelto un caso d’uso particolarmente complesso, affrontare un algoritmo esistente già “quasi ottimale” per l’elaborazione preliminare dei dati sul genoma. Serviva per verificare se piccole modifiche con tecniche di memory-driven computing potevano migliorare un passaggio già eseguito alla massima rapidità consentita dalle attuali tecnologie.

I risultati hanno entusiasmato DZNE.

La potenza di elaborazione accelera la ricerca

Il memory-driven computing avvicina più che mai la diagnosi precoce e le cure

 

DZNE ritiene che il memory-driven computing sia una tecnologia rivoluzionaria in grado di sbloccare la creatività dei ricercatori nella risoluzione dei problemi e di accelerare la ricerca per la prevenzione e la cura delle malattie. Avendo a disposizione contemporaneamente in memoria tutti i grandi set di dati, spesso incompatibili tra di loro, è possibile eliminare i colli di bottiglia dell’elaborazione che hanno ostacolato la ricerca genomica e medica.

Oltre a essere più rapido e più efficiente, il memory-driven computing è intrinsecamente più sicuro. Invece di inviare dati grezzi, come TAC cerebrali, i partner della ricerca condividono i risultati dei propri calcoli, ad es. questo cervello presenta una lesione in questa posizione. Insight derivati dai dati possono essere condivisi con i collaboratori per far progredire la ricerca di tutti, ma i dati rimangono nei sistemi locali; gli algoritmi vanno ai dati e non il contrario. La sicurezza è a livello di programma e non di amministrazione.

  • "Accelerando la nostra ricerca, il memory-driven computing aumenta la probabilità di individuare una terapia per l’Alzheimer in un breve periodo di tempo".

    Professor Pierluigi Nicotera, Ph.D., Direttore Scientifico e Presidente del Comitato Esecutivo di DZNE

DZNE collabora con i ricercatori di HPE per adattare l’algoritmo di DNZE all’elaborazione preliminare dei dati sul genoma per utilizzare tecniche di programmazione memory-driven.  DZNE ha osservato che un processo della durata di 22 minuti era sceso a 2,5 minuti, quindi a 69 secondi e ora a 13 secondi con ulteriori ritocchi al codice. Si tratta di un miglioramento dell’accelerazione pari a 100 volte dopo soli tre mesi di lavoro. DZNE crede che la nuova architettura sia in grado, un giorno, di accelerare tutte le pipeline di calcolo di 100 volte.

DZNE sta cercando i biomarcatori che indicano con quale probabilità un giovane svilupperà una malattia neurologica più avanti nella vita. Sta cercando le cure. Con la promessa del memory-driven computing, DZNE crede che tutto questo possa avvenire molto prima di quanto non fosse possibile in precedenza.

100 volte

Aumento della velocità delle analisi che elimina i colli di bottiglia della ricerca

60%

Riduzione dell’alimentazione con conseguente taglio dei costi della ricerca

Un ponte verso il memory-driven computing

DZNE ha usato il proprio HPE Integrity Superdome X come banco di prova per le tecniche di programmazione di memory-driven computing