Az Xboxtól a T-sejtekig

A Michigan Műszaki Egyetem kutatói a vezető konzolok grafikus egységeinek számítási teljesítményét aknázzák ki a legbonyolultabb élettani rendszerek megismeréséhez.

A Roshan D'Souza által vezetett csoport az úgynevezett ágensalapú modellezést, egy rendkívül hatékony, ugyanakkor erőforrás igényes előrejelzési technikát pörgette fel. A cél eléréséhez a konzolok lélegzetelállító képi hatásait biztosító grafikus feldolgozó egységeket (GPU-kat) vetették be, azzal a célkitűzéssel, hogy egészen összetett biológiai rendszereket modellezzenek, mint például az emberi immunrendszer reakcióját egy tuberkulózis baktériumra.

A szoftvert az egyetem számítástechnikai tudományok karának hallgatója, Mikola Lysenko írta meg, illetve mutatta be. Számítógépének monitorán élénkzöld immunsejtek hada vesz körbe egy sárga TB kórokozót. A foltok nyüzsgése egy ismeretterjesztő film háromdimenziós animációjának tűnik, valójában azonban virtuális T-sejtekről és makrofágokról van szó - több millió valós idejű számítás vizuális visszatükröződéséről.

"Mindig megkérdezik, hogy szuperszámítógépet alkalmazunk-e, vagy ez egy előre leszámolt animáció" - utalt D'Souza a modellezés vizuális megjelenítésére, hozzátéve, hogy modelljük nagyságrendekkel gyorsabb, mint a világszínvonalú ágensmodellező készletek. A kutatók szerint jelenlegi munkájuk eltörpül a technikában rejlő valós lehetőségek mellett. "Sokkal nagyobb léptékben is meg tudjuk csinálni" - folytatta D'Souza. "Ez közel sem olyan összetett, mint a valós élet". Reményei szerint legközelebb a TBC-fertőzés lehetséges terjedési útvonalait fogják modellezni a tüdőből a páciens nyirokrendszerébe, vérébe és létfontosságú szerveibe.


A TBC-modellt Dr. Denise Kirschner, az Ann Arbori Michigan Egyetem munkatársa fejlesztette ki és bocsátotta D'Souza csapatának rendelkezésére, amit beprogramoztak egy grafikai feldolgozó egységbe. Az ágensalapú modellezés nem helyettesíti a kémcsöveket, azonban egy hathatós új eszközt jelent a gyógyászati kutatásokban. A számítógépes modellek több jelentős előnnyel rendelkeznek. "Létrehozhatunk egy egeret egy hiányzó génnel, amiből megállapítható a gén fontossága" - magyarázta Kirschner. "Az ágensalapú modellezéssel azonban két-három gént is kiiktathatunk egyszerre".

Az ágensalapú modellezés összetett rendszerek viselkedését szimulálja. Alkalmazásával szinte bárminek a végkimenetele megjövendölhető, a járványoktól a hús árának alakulásáig. Ahogy a neve is mutatja, a módszer egyéni ágenseken alapul, mint beteg és egészséges emberek, ragadozók és zsákmány stb. Különböző szabályokat figyelembe véve szabadjára engedi az ágenseket és az idő múlásával nyomon követi a rendszer változásait, amik gyakorlatilag sokszor megjósolhatatlanok, és ugyanolyan meglepetésekkel szolgálhatnak, mint a valós élet.

A michiganiek esetében az ágensalapú modellezés olyan dolgok végrehajtását teszi lehetővé a kutatók számára, amik más módszertanokkal lehetetlenek lennének: virtuálisan tesztelhetik az emberi reakciókat súlyos behatások, mint sérülések és fertőzések esetén. Bár a technika teljes egészében soha nem fogja kiváltani a laboratóriumokat, csökkentheti a zsákutcába jutó kutatások számát. "Nagy segítséget jelenthet a tudósoknak kutatásaik fókuszálásában" - tette hozzá Kirschner. "Eddig a hosszú futtatási idő komoly gátló tényező volt, D'Souza modellje azonban nagyon gyorsan és hatékonyan működik."

A mai konzolok GPU-technikája olyan végzetes fertőzéseket is lemodellezhet, amiben több milliárd ágens, sejtek és baktériumok sokasága vesz részt, és mindeddig túl komplexnek bizonyultak, hogy nagy méreteken gazdaságosan modellezzék. Az ágensalapú modellezés az 1950-es években jelent meg a színen, a feldolgozást azonban mindig hátráltatta a számítási teljesítmény, ezért az utóbbi időkig az egyetlen lehetőséget a nagy modellek gyors lefuttatására a sok millió dolláros szuperszámítógépek jelentették, ami igencsak költséges vállalkozás.

D'Souza csapata a GPU-k alkalmazással átlépett ezen a problémán. "Egy 1400 dolláros asztali géppel meg tudunk verni egy számítógép-klasztert" - mondta D'Souza. "Minden alkalommal amikor bemutatom a kutatást, köszönetemet fejezem ki a videójátékokkal játszók millióinak, hogy közvetve lehetővé tették mindezt" - mondta D'Souza, aki a fő érdemet az egyetem hallgatóinak - Lysenko mellett Ryan Richardsnak és Nick Smolinskének - tulajdonítja a GPU programozásáért. "A GPU-k programozása rendkívül bonyolult, teljesen más mint a szokványos programozás."