11-12-2019 | door: Witold Kepinski

HPE technologie versnelt onderzoek naar Alzheimer

HPE technologie moet het onderzoek naar de oorzaken en bestrijding van Alzheimer versnellen. De ziekte van Alzheimer is de meest voorkomende vorm van dementie. Het Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) wil deze ziekte effectiever onderzoeken en bestrijden met behulp van HPE Memory-Driven Computing die Big Data analytics versnelt in de strijd tegen Alzheimer. Prof. Pierluigi Nicotera, wetenschappelijk directeur en CEO van DZNE, en Prof. Joachim Schulze, MD Professor Genomics en Immunoregulatie van Universiteit van Bonn leggen in een video uit wat het effect is van de HPE technologie. DZNE gebruikte de HPE Integrity Superdome X als testbank voor programmeertechnieken voor geheugengestuurde computing.

Naarmate de wereldbevolking ouder wordt, groeit de menselijke en economische tol van momenteel ongeneeslijke neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer. DZNE bestrijdt deze ziekten met behulp van Big Data-analyse, maar de beperkingen van traditionele computersystemen vormen een belangrijk knelpunt. Op zoek naar een baanbrekende oplossing, ontdekte DZNE HPE's Memory Driven Computing - en zag ongekende verbeteringen in de rekensnelheid die een nieuwe belofte inhouden in de race tegen Alzheimer.

Neurodegeneratieve ziekten - zoals Alzheimer, Parkinson, multiple sclerose, de ziekte van Lou Gehrig en Huntington - treden op wanneer neuronen in de hersenen en het ruggenmerg verslechteren. De symptomen kunnen in eerste instantie gering zijn: problemen met coördinatie of het onthouden van namen. Maar naarmate meer en meer neuronen sterven, verliezen mensen het vermogen om helder te denken, onafhankelijk te lopen en te functioneren in de wereld. Veel van de ziekten zijn uiteindelijk dodelijk.

Omdat neurodegeneratieve ziekten de neiging hebben om later in het leven toe te slaan, zal de incidentie naar verwachting stijgen naarmate de bevolking ouder wordt. De snelste groei bij ouderen vindt plaats in China, India, Zuid-Azië en de westelijke Stille Oceaan.

Dementie - problemen met geestelijk functioneren - is een van de meest slopende effecten van neurodegeneratieve ziekten. Het aantal mensen met dementie verdubbelt om de 20 jaar en zal naar verwachting 130 miljoen wereldwijd overschrijden tegen 2050. Iemand in de wereld ontwikkelt dementie om de drie seconden. Volgens schattingen is bij driekwart van de mensen met dementie nog geen diagnose gesteld. Het probleem wordt nog groter, tegen de tijd dat een diagnose wordt gesteld, is het te laat. De schade is al aangericht.

De jaarlijkse wereldwijde kosten van dementie zullen naar verwachting in 2018 meer dan $ 1 biljoen bedragen. Dit omvat onbetaalde zorg door familie en anderen; sociale zorg door professionele zorgverleners; en medische zorg. Als wereldwijde zorg voor dementie een land zou zijn, zou het de 18e grootste economie ter wereld zijn.

Ondanks de urgentie om behandelingen te vinden, is de vooruitgang traag geweest, grotendeels vanwege de complexiteit van de getroffen systemen. Het menselijk brein heeft 1000 keer het aantal neuronale verbindingen omdat er sterren in onze melkweg zijn. Onderzoekers moeten begrijpen hoe de hersenen werken, de onderliggende genetica, cellulaire en intracellulaire functies, omgevingsfactoren die aandoeningen veroorzaken - en hoe al deze interacties gedurende decennia samenwerken.

De hoeveelheid en soorten gegevens die door dergelijk onderzoek worden gegenereerd, zijn enorm en divers. In de race om neurodegeneratieve ziekten te genezen, zijn de analytische beperkingen van traditionele computersystemen een belangrijke wegversperring geweest.

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) is een onderzoeksinstelling opgericht door het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek om neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer, Parkinson en multiple sclerose te bestrijden. DZNE maakt gebruik van klinisch onderzoek, populatiestudies en gezondheidszorgonderzoek met enorme hoeveelheden gegevens. De onderzoekers bevinden zich op negen locaties in Duitsland en ze werken nauw samen met universiteiten, universitaire ziekenhuizen en andere onderzoekspartners.

Onderzoekers weten dat de ziekteprocessen die leiden tot dementie decennia beginnen voordat de symptomen zich manifesteren, maar ze weten niet precies hoe. Verkeerde eiwitten? Ontsteking? Beter begrip is de sleutel tot preventie, diagnose en behandeling.

DZNE leidt een Duitse bevolkingsstudie die gedurende hun leven elke drie jaar tot 30.000 mensen onderzoekt om veranderingen in het looppatroon, reukvermogen en andere factoren op te sporen die relevant zijn voor vroege detectie van de ziekte van Alzheimer. Net als andere DZNE-projecten, omvat dit enorme hoeveelheden gegevens die zijn gecorreleerd om de kleine variaties te detecteren die wijzen op significante verschillen in wie Alzheimer krijgen.

Dergelijk werk vereist samenwerking - zowel in geografieën als in disciplines, waaronder geneeskunde, biowetenschappen, wiskunde, natuurkunde, informatica en informatica. Zelf verspreid over Duitsland, werkt DZNE samen met partners wereldwijd aan onderzoek dat de grenzen van technologische mogelijkheden op de proef stelt. Terwijl de wereldbevolking ouder wordt, verspreiden neurologische ziekten zich in wat sommigen een seniorenbom noemen.

IT-beperkingen zijn een belangrijk knelpunt geworden in de strijd tegen neurodegeneratieve ziekten. Traditionele computersystemen zijn te traag voor de petabytes aan gegevens van DZNE, meerdere gegevensbronnen en complexe computerpijplijnen.

DZNE gebruikt informatie van genomics, hersenbeeldvorming en klinische studies, die veilig toegankelijk en geanalyseerd moeten worden om de privacy van de patiënt te beschermen. Deze enorme en diverse datasets zijn niet ontworpen om samen te werken en zijn vaak niet compatibel. Toch willen onderzoekers intensieve berekeningen uitvoeren voor datasets, zoals het correleren van genetische markers met beeldvorming van de hersenen.

Het kan weken duren om de gegevens te laden en nog langer om er berekeningen op uit te voeren. Zelfs het verzenden van de gegevens is onmogelijk, zelfs met de snelste internetverbindingen. Een genomics-onderzoeker laadt zijn gegevens op een harde schijf en verzendt deze per vrachtwagen naar DZNE.

DZNE heeft als doel deze processen te versnellen - om te stoppen met het transport van onbewerkte gegevens en deze in plaats daarvan lokaal te analyseren, terwijl samenwerkingspartners gecentraliseerde toegang krijgen tot resultaten die ze kunnen gebruiken in hun onderzoeksstudies. Dit vereist een nieuwe benadering van computerarchitectuur.

DZNE wilde een manier om snel en op een gedecentraliseerde manier met genomische gegevens te werken, zonder tijd te verliezen met het verzenden van gegevens tussen medewerkers of zelfs tussen de on-site rekenlagen. Geheugengestuurd computergebruik van Hewlett Packard Enterprise biedt de oplossing.

Memory-Driven Computing is een nieuwe computerarchitectuur die de conventionele computerarchitectuur binnenstebuiten wil keren. In traditionele computersystemen worden relatief kleine hoeveelheden geheugen gebonden aan elke processor. De resulterende inefficiënties beperken de prestaties; naar schatting 90% van het werk wordt besteed aan het verplaatsen van informatie van processor naar processor en tussen niveaus van geheugen en opslag.

Met Memory-Driven Computing hebben alle processors gelijke toegang tot een pool van gedeeld geheugen, waardoor het heen en weer schakelen wordt voorkomen. Dit levert ongekende snelheid, betrouwbaarheid en energie-efficiëntie - en manieren om enorme datasets te benutten die tot nu toe onmogelijk waren. HPE introduceerde zijn Memory-Driven Computing-prototype in 2017. Het wordt The Machine genoemd en heeft 160 terabyte snel geheugen, waardoor het het grootste systeem met één geheugen ooit is gebouwd.

Opgewonden door de belofte van Memory-Driven Computing, kozen DZNE-leiders voor een bijzonder uitdagende use case, waarbij een bestaand algoritme werd aangepakt dat al "bijna optimaal" was voor de voorbewerking van genomics-gegevens. Het wilde nagaan of het aanbrengen van kleine veranderingen met behulp van Memory-Driven Computing-technieken een stap zou kunnen verbeteren die al zo snel loopt als de huidige technologieën zouden kunnen opleveren.

DZNE ziet Memory-Driven Computing als een doorbraaktechnologie die de creatieve probleemoplossing van onderzoekers kan ontketenen en de zoektocht naar ziektepreventie en -behandelingen kan versnellen. Als alle grote - en vaak incompatibele datasets tegelijk beschikbaar zijn in het geheugen, worden de computationele knelpunten weggenomen die genomics en medisch onderzoek hebben belemmerd.

Geheugengestuurd computergebruik is niet alleen sneller en efficiënter, maar ook inherent veiliger. In plaats van onbewerkte gegevens te verzenden, zoals hersenscans, delen onderzoekspartners de resultaten van hun berekeningen. Dit brein heeft bijvoorbeeld een laesie op deze locatie. Inzichten uit de gegevens kunnen worden gedeeld met medewerkers om ieders onderzoek te bevorderen, maar de gegevens blijven lokaal; algoritmen gaan naar de gegevens in plaats van andersom. Beveiliging wordt programmatisch in plaats van administratief.

DZNE- en HPE-onderzoekers werkten samen om het algoritme van DZNE aan te passen voor het vooraf verwerken van genomics-gegevens om geheugengestuurde programmeertechnieken te gebruiken. DZNE heeft een proces van 22 minuten zien dalen tot 2,5 minuten, daarna tot 69 seconden en nu tot 13 seconden met enkele extra coderingsaanpassingen. Dat is meer dan 100x snelheidsverbetering na slechts drie maanden werk! DZNE gelooft dat de nieuwe architectuur uiteindelijk al zijn rekenpijplijnen met 100x kan versnellen.

DZNE is op zoek naar biomarkers die wijzen op de kans dat een jongere op latere leeftijd een neurologische ziekte ontwikkelt. Het is op zoek naar remedies. Met de belofte van Memory-Driven Computing gelooft DZNE dat dit allemaal veel sneller dan ooit tevoren kan gebeuren.

Download DZNE klantverhaal PDF

Terug naar video overzicht