Un instituto de investigación en Alemania evalúa la computación basada en la memoria para luchar contra las enfermedades neurodegenerativas

A medida que las poblaciones mundiales envejecen, el coste humano y económico de las enfermedades neurodegenerativas actualmente incurables, como el alzhéimer, crece de manera increíble. El DZNE combate estas enfermedades mediante el análisis de big data, pero las limitaciones de los sistemas informáticos tradicionales han supuesto un grave cuello de botella. En su búsqueda de una solución rompedora, el DZNE descubrió la computación basada en la memoria de HPE y obtuvo mejoras sin precedentes en la velocidad computacional, que resultan prometedoras en la lucha contra el alzhéimer.

Una bomba de relojería global

A medida que las poblaciones mundiales envejecen, las enfermedades cerebrales —como el alzhéimer— afectan a millones de personas y cuestan más de un billón de dólares al año

Cómo acelerar la investigación sobre el alzhéimer: el DZNE y Hewlett Packard Enterprise aportan fortaleza computacional para avanzar en la investigación. Más información acerca de la computación basada en la memoria.

Presentado en este vídeo: Prof. Pierluigi Nicotera, director científico y CEO, Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas (DZNE).

Prof. Joachim Schulze, médico, profesor de Genómica e Inmunorregulación (Universidad de Bonn).

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Cómo acelerar la investigación sobre el alzhéimer

Las enfermedades neurodegenerativas —como el alzhéimer, el párkinson, la esclerosis múltiple, la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y la enfermedad de Huntington— aparecen cuando se deterioran las neuronas en el cerebro y la médula espinal. Al principio los síntomas podían ser leves: problemas de coordinación o dificultad para recordar nombres. Pero a medida que perece un número cada vez mayor de neuronas, las personas pierden la capacidad de pensar con claridad, caminar independientemente y desenvolverse en el mundo. Muchas de las enfermedades son en último término letales.

Debido a que las enfermedades neurodegenerativas tienden a atacar a las personas en fases posteriores de la vida, se espera que la incidencia aumente a medida que la población envejezca. El aumento más rápido del número de personas de edad avanzada se está produciendo en China, India, el sur de Asia y el Pacífico occidental.

La demencia —problemas en el funcionamiento mental— es uno de los efectos más graves que producen las enfermedades neurodegenerativas. La cantidad de personas que viven con demencia se duplica cada 20 años y se espera que para el año 2050 supere los 130 millones en todo el mundo. Cada tres segundos una persona en el mundo desarrolla demencia. Las estimaciones sostienen que tres cuartas partes de las personas con demencia todavía no han sido diagnosticadas de la enfermedad. Y para agravar aún más el problema, cuando se realiza un diagnóstico ya es demasiado tarde. El daño ya esta hecho.

“Si no detenemos la progresión en el número de personas en todo el mundo que desarrollan demencia, para cuidar de ellos en 2050 necesitaremos todo el PIB actual de los Estados Unidos”.

Profesor Pierluigi Nicotera
Doctor, director científico y presidente del Consejo de Administración de DZNE

Se espera que para 2018 el coste global anual de la demencia supere el billón de dólares. Esto incluye el cuidado no remunerado que prestan la familia y otras personas, la ayuda social que brindan los cuidadores profesionales y la atención sanitaria. Si el cuidado de la demencia global fuera un país, este sería la decimoctava economía más grande del mundo.

A pesar de la urgencia de encontrar curas, el progreso ha sido lento debido en gran parte a la complejidad de los sistemas afectados. El cerebro humano tiene 1 000 veces más conexiones neuronales que estrellas hay en nuestra galaxia. Los investigadores deben comprender cómo funciona el cerebro, las funciones celulares e intracelulares, la genética subyacente, los factores ambientales que desencadenan los trastornos, y cómo todos estos elementos interactúan década tras década.

La cantidad y los tipos de datos que dicha investigación genera son enormes y diversos. En la carrera para curar las enfermedades neurodegenerativas, las limitaciones analíticas de los sistemas informáticos tradicionales han constituido un obstáculo importante.

1 000

millones de personas en todo el mundo sufren trastornos neurológicos

24

millones de estas padecen alzhéimer

1

billón de dólares de costes a causa de la demencia para 2018

El combate contra las enfermedades neurodegenerativas

Una institución de investigación alemana lucha contra enfermedades cerebrales como el alzhéimer y el párkinson

“Queremos utilizar la tecnología más moderna para responder a preguntas como ¿por qué tenemos alzhéimer? ¿Cómo podemos prevenirlo?”.

Profesor Joachim L. Schultze
Doctor, director, PRECISE (Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics), DZNE

El DZNE (Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen: Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas) es una institución de investigación creada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania para combatir enfermedades neurodegenerativas como el alzhéimer, el párkinson y la esclerosis múltiple. El DZNE se nutre de investigaciones y estudios clínicos, poblacionales y sanitarios que generan grandes cantidades de datos. Sus investigadores están distribuidos en nueve emplazamientos dentro de Alemania, y colaboran estrechamente con universidades, hospitales universitarios y otros partners científicos.

1 000

profesionales del DZNE se dedican al estudio de enfermedades cerebrales

80

grupos de trabajo desarrollan nuevos enfoques preventivos y terapéuticos

9

ubicaciones en toda Alemania

Desentrañar secretos para una detección temprana

Los proyectos de investigación desafían los límites de la tecnología

 

Los investigadores saben que los procesos de la enfermedad que llevan a la aparición de la demencia comienzan décadas antes de que se manifiesten los síntomas, pero no saben exactamente cómo. ¿Mal plegamiento de proteínas? ¿Inflamaciones? Profundizar en los conocimientos supone la clave para la prevención, el diagnóstico y el tratamiento.

“Estamos tratando de identificar las pequeñas diferencias que explican por qué las enfermedades se desarrollan en unas personas y no en otras. Pero necesitamos nuevas tecnologías para combinar todos estos datos y comparar unos conjuntos de datos con otros para entender lo que significan”.

Profesor Pierluigi Nicotera
Doctor, director científico y presidente del Consejo de Administración de DZNE

El DZNE dirige un estudio demográfico en Alemania que examina hasta 30 000 personas cada tres años a lo largo de su vida para detectar cambios en el sentido del olfato, la forma de caminar y otros factores pertinentes para la detección temprana del alzhéimer. Al igual que otros proyectos que lleva a cabo el DZNE, este implica grandes cantidades de datos correlacionados para detectar las pequeñas variaciones que indican diferencias significativas en quién contraerá alzhéimer.

Y este trabajo requiere colaboración, tanto entre regiones como entre disciplinas, como medicina, ciencias biológicas, matemáticas, física, informática y ciencias computacionales. El DZNE, con presencia a lo largo y ancho de Alemania, colabora con partners de todo el mundo en una investigación que desafía los límites de las posibilidades tecnológicas. Mientras tanto, a medida que las poblaciones mundiales envejecen, las enfermedades neurológicas se están extendiendo en lo que algunos han comenzado a calificar de bomba de relojería para las personas mayores.

30

años de estudio demográfico en curso

30 000

personas en observación

Los sistemas lentos obstaculizan el avance

Las exigencias de los análisis superan las capacidades de la arquitectura informática tradicional

 

Las limitaciones de TI se han convertido en un importante cuello de botella en la lucha contra las enfermedades neurodegenerativas. Los sistemas informáticos tradicionales son demasiado lentos para los petabytes que maneja el DZNE en términos de datos, multiplicidad de fuentes de datos y complejos canales computacionales.

El DZNE utiliza información de genómica, imágenes cerebrales y estudios clínicos, y debe garantizar la seguridad en su acceso y análisis para proteger la privacidad del paciente. Estos enormes y diversos conjuntos de datos no fueron diseñados para funcionar combinados y, a menudo, son incompatibles. Sin embargo, los investigadores quieren realizar cálculos intensivos entre estos conjuntos de datos, como la correlación de los marcadores genéticos con las imágenes cerebrales.

“Necesitamos contar con un poder de procesamiento que nos permita comprender estas complejas enfermedades en muchos niveles: genómica, imágenes cerebrales y supervisión de pacientes a lo largo del tiempo. La medicina moderna estará estrechamente ligada con la computación”.

Profesor Joachim L. Schultze
Doctor, director, PRECISE (Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics), DZNE

Solo cargar los datos podría llevar semanas y ejecutar cálculos basados en estos podría requerir incluso más tiempo. La mera transmisión de estos datos es inviable incluso con las conexiones de Internet más rápidas. Un investigador de genómica carga sus datos en un disco duro y los envía al centro DZNE en furgones.

El DZNE tiene como objetivo acelerar estos procesos: dejar de transportar datos en bruto y, en su lugar, analizarlos localmente, al tiempo que brinda a partners colaboradores un acceso centralizado a los resultados que puedan utilizar en sus estudios de investigación. Y para ello es preciso que se adopte un nuevo enfoque hacia la arquitectura informática.

La computación basada en la memoria cumple este cometido

El DNZE aprovecha la nueva arquitectura informática pionera de HPE para big data

 

El DZNE necesitaba una manera de trabajar con datos genómicos rápida y descentralizada, sin perder tiempo transmitiendo datos entre los colaboradores o incluso entre sus capas de procesamiento local. La computación basada en la memoria de Hewlett Packard Enterprise brinda la solución.

La computación basada en la memoria es una nueva arquitectura informática que tiene como objetivo dar un giro de 180 grados a la arquitectura informática convencional. En los sistemas informáticos tradicionales, cantidades relativamente pequeñas de memoria están conectadas a cada procesador. Las ineficiencias resultantes limitan el rendimiento; se estima que el 90 % del trabajo se aplica exclusivamente a mover información de un procesador a otro y entre capas de memoria y almacenamiento.

“La computación basada en la memoria proporciona exactamente lo que estamos buscando. La posibilidad de almacenar una gran cantidad de datos en la memoria, nos permite disponer de un sistema mucho más rápido que puede acelerar nuestros canales computacionales”.

Profesor Joachim L. Schultze
Doctor, director, PRECISE (Platform for Single Cell Genomics and Epigenomics), DZNE

Con la computación basada en la memoria, todos los procesadores obtienen el mismo acceso a los grupos de memoria compartida, eliminando las idas y venidas. Esto ofrece velocidad, fiabilidad y eficiencia energética sin precedentes, y maneras de aprovechar enormes conjuntos de datos que hasta ahora eran imposibles. HPE presentó en 2017 su prototipo de computación basada en la memoria. Llamado The Machine, sus 160 terabytes de memoria rápida lo convierten en el sistema de memoria única más grande jamás creado.

Entusiasmados por la promesa de la computación basada en la memoria, los dirigentes del DZNE seleccionaron un caso de uso particularmente complicado, haciendo uso de un algoritmo existente que ya era “casi óptimo” para el procesamiento previo de datos de genómica. El caso tenía por objeto comprobar si la realización de pequeños cambios utilizando técnicas de computación basada en la memoria podría mejorar un paso que ya se está ejecutando a la máxima velocidad que pueden ofrecer las tecnologías actuales.

Los resultados asombraron al personal del DZNE.

La potencia computacional acelera la investigación

La computación basada en la memoria nos acerca al diagnóstico y el tratamiento tempranos más que ningún otro método previo

 

El DZNE considera que la computación basada en la memoria es una tecnología rompedora que puede impulsar la resolución creativa de los problemas a que se enfrentan los investigadores y acelerar los plazos en la búsqueda de la prevención y la cura de enfermedades. Disponer de todos los conjuntos de datos grandes y a menudo incompatibles a la vez en la memoria elimina los cuellos de botella de procesamiento que han obstaculizado la investigación médica y la genómica.

Además de ser más rápida y más eficiente, la computación basada en la memoria es intrínsecamente más segura. En lugar de enviar datos en bruto como escáneres cerebrales, los partners científicos comparten los resultados de sus cálculos, por ejemplo: “Este cerebro tiene una lesión en esta ubicación”. Los conocimientos que aportan los datos se pueden compartir entre colaboradores para que todos avancen en sus respectivas investigaciones, pero se mantendrán localmente; los algoritmos van a los datos y no al revés. La seguridad pasa a ser programática en lugar de administrativa.

“Al acelerar nuestra investigación, la computación basada en la memoria aumenta la probabilidad de que encontremos una terapia para el alzhéimer en un corto periodo de tiempo”.

Profesor Pierluigi Nicotera
Doctor, director científico y presidente del Consejo de Administración de DZNE

Los investigadores del DZNE y HPE colaboraron codo con codo para adaptar el algoritmo del DNZE al preprocesamiento de datos de genómica con el fin de utilizar técnicas de programación basadas en la memoria.  El DZNE ha experimentado un aceleramiento en el procesamiento de datos de 22 minutos a 2,5 minutos, después a 69 segundos, y ahora a 13 segundos, con algunos ajustes de codificación adicionales. Eso significa que en solo tres meses de trabajo la velocidad se ha multiplicado por cien. El DZNE cree que la nueva arquitectura podría multiplicar finalmente la velocidad de todos sus canales computacionales por cien.

El DZNE está buscando biomarcadores que indiquen la probabilidad de que una persona joven desarrolle una enfermedad neurológica en fases posteriores de sus vidas. Está buscando curas. Con la promesa de la computación basada en la memoria, el DZNE cree que todo esto puede hacerse realidad mucho antes que lo esperado.

100 veces

de aumento previsto en la velocidad de análisis destruye los cuellos de botella de la investigación

El 60 %

de reducción en el consumo de energía reduce los costes de investigación

Un puente hacia la computación basada en la memoria

El DZNE utilizó su HPE Integrity Superdome X como banco de pruebas para las técnicas de programación de la computación basada en la memoria

 

Hardware de HPE

HPE Integrity Superdome X