Οι υπολογιστές εξετάζουν τους δρόμους της καρδιάς

Από σελίδα της RedHerring 2 Ιουλίου 2001

Ο Δρ. Raimond Winslow διευθυντής του Κέντρου για την υπολογιστική ιατρική και τη βιολογία του Πανεπιστημίου John Hopkins στη Βαλτιμόρη, προσπαθεί να λύσει ένα βιολογικό μυστήριο που έχει αποφύγει η ιατρική έρευνα για δεκαετίες. Συγκεκριμένα ο Winslow και η ομάδα του έχουν ριχθεί στη μεγάλη μαθηματική πρόκληση της κατανόησης, πώς λειτουργεί η ανθρώπινη καρδιά.

Η επιστήμη τραβάει στ' άκρα και τα εργαλεία που χρησιμοποιεί για να διευκρινίσει το μυστήριο της ζωής φέρνει  νέες προπτικές. Ο Δρ. Winslow δεν είναι ξένος με τους γρήγορους υπολογιστές. Στο Κέντρο του ο Winslow και η ομάδα του χρησιμοποιούν έναν υπερυπολογιστή για να δημιουργήσουν τα τρισδιάστατα μοντέλα (3D) που αποκαλύπτουν την ανατομική δομή του οργάνου και τους τρόπους με τους οποίους τα κύτταρα εργάζονται μέσα σε αυτή. Μόλις το μοντέλο μιμηθεί την καρδιά, η ομάδα του Δρ. Winslow θα είναι σε θέση να δοκιμάσει  νέα φάρμακα και  να βρεί τις θεραπείες για τις καρδιακές παθήσεις. Χάρις στον υπερυπολογιστή, οι επιστήμονες ελπίζουν να συντομεύσουν τους ερευνητικούς χρόνους και να φέρουν τη θεραπεία των φαρμάκων στην αγορά πιό σύντομα.

Μόνο 25 ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins έχουν πρόσβαση σε αυτόν τον υπερυπολογιστή, που ονομάζεται Zeus. Ο υπερυπολογιστής Zeus είναι τόσος σημαντικός εδώ που έχει μια φρουρά ασφάλειας, ένα επί παραγγελία κλιματιστικό μηχάνημα, και ένα στενά ασφαλισμένο δωμάτιο. Οι 80 επεξεργαστές του δουλεύουν ασταμάτητα για να οδηγήσουν αυτό το εργαλείο, για την έρευνα του σύνθετου έργου της καρδιάς.

Το πολύτιμο φορτίο

Αλλά ο Δρ. Winslow και η ομάδα των ερευνητών του δεν είναι οι μόνοι που έχουν πρόσβαση στον Zeus. Μια άλλη ομάδα, που διευθύνεται από τον Δρ. Μichael Miller, διευθυντή του κέντρου για την επιστήμη της απεικόνισης στο Johns Hopkins, χρησιμοποιεί τον υπερυπολογιστή για να μετρήσει και να διαμορφώσει τη μορφή του ανθρώπινου εγκεφάλου. Στις μελέτες του, τα δεδομένα έχουν αποκαλύψει ότι οι διαφορετικές μορφές εγκεφάλου συσχετίζονται στους διάφορους τύπους ασθενειών, όπως η σχιζοφρένια και η ασθένεια του Alzheimer.

Είναι αυτά τα μοντέλα και οι μεγάλες συλλογές των δεδομένων (στοιχείων) πίσω από αυτά που οι εμπειρογνώμονες θεωρούν ότι είναι οι πρόδρομοι για το πώς τα ιατρικά στοιχεία καθώς επίσης και άλλοι τύποι δεδομένων θα κτιστούν και θα αποθηκευτούν στο μέλλον "Τα τρισδιάστατα αυτά μοντέλα θα είναι οι βάσεις δεδομένων του μέλλοντος, " λέει ο Δρ. Winslow. Οι σημερινές βάσεις δεδομένων αποθηκεύουν τα γεγονότα για τα βιολογικά συστήματα όπως τις ακολουθίες γονιδίων και τις πρωτεϊνικές δομές. Οι αυριανές βάσεις δεδομένων θα είναι διαλογικά μοντέλα υπολογιστών που θα είναι μαθηματικές περιγραφές των κανόνων που κυβερνούν τη συμπεριφορά των βιολογικών συστημάτων.

Σαν απόδειξη αυτού, ο Δρ. Winslow έχει αναπτύξει ένα νέο μοντέλο που αναπαριστά τη λειτουργία ενός καρδιακού κοιλιακού μυοκυττάρου -myocyte- (ένα απομονωμένο κύτταρο της καρδιάς). Ακόμα κι αν αυτό είναι ένα μοντέλο μόνο ενός κυττάρου, η ολοκλήρωση είναι σημαντική λόγω του μεγάλου ποσού των κυττάρων που εμπλέκεται στον υπολογισμό. Το μοντέλο είναι μοναδικό επειδή είναι πρώτο του είδους του, στο οποίο οι μοριακές λεπτομέρειες μπορούν να αφορούν ολόκληρες λειτουργίες κυττάρων. Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει αυτό το μοντέλο για να επιδείξουν πώς μια παρατυπία στο ρυθμό της καρδιάς μπορεί να αρχίσει σε κυψελοειδές επίπεδο. .

Εδώ είναι όπου ο δυνατός υπολογισμός μπαίνει στο παιχνίδι. Κατά μέσον όρο, ο Δρ. Miller και οι ερευνητές του,  χρησιμοποιούν 16 από τους 80 επεξεργαστές για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα γιατί ο εγκέφαλος εκφυλίζεται με την ηλικία. Εν τω μεταξύ, ο Δρ. Winslow χρησιμοποιεί συχνά και τους 80 επεξεργαστές και πρέπει ακόμη και να δανειστεί υπολογιστική ισχύ από τον υπερυπολογιστή των 1.000-επεξεργαστών στο κέντρο υπερυπολογιστών του Σαν Ντιέγκο (SDSC).

Ως τμήμα του ερευνητικού προγράμματος, οι γιατροί και οι συνάδελφοί τους έχουν πρόσβαση στον υπολογιστή της ΙΒΜ RS/6000 SP της εθνικής συνεργασίας για την προηγμένη υπολογιστική υποδομή στο SDSC. Αναμένεται να είναι ικανός μέχρι το τέλος του έτους να φθάσει το 1 τεραφλοπ απόδοσης. Ένα teraflop υπολογιστικής ισχύος, είναι τόση ισχύς, όση θα έπαιρνε σε ένα άτομο χρησιμοποιώντας έναν απλό υπολογιστή 800.000 έτη, να ολοκληρώσει τον ίδιο αριθμό υπολογισμών που ολοκληρώνονται σε ένα δευτερόλεπτο από τον μεγάλο υπολογιστή της IBM.

Άλλοι υπολογιστές της IBM μεγάλου υπολογιστικού σχεδιασμού όπως ο Deep Blue, που παίζει σκάκι με τον πρωταθλητή κόσμου και ο Blue Gene, ο γρηγορότερος υπολογιστής σε παγκόσμιο επίπεδο για την ανάλυση των γονιδίων, έχουν βοηθήσει να καθιερώσουν την IBM ως ηγέτη των υπερυπολογιστών, που ξεπερνά την άλλη εταιρεία του χώρου Silicon Graphics και την Cray Οι επιστήμονες αρχικά θα χρησιμοποιήσουν το πρόγραμμα Blue Gene για να αποκαλύψουν την διαμόρφωση των ανθρώπινων πρωτεϊνών. Όπως ο υπολογιστής Zeus, έτσι και ο Blue Gene θα χρησιμοποιήσει την παράλληλη επεξεργασία για να εξετάσει τα σύνθετα προβλήματα υπολογισμού που είναι σύμφυτα στον τομέα της βιολογίας.