Deutsche Wissenschaftler enthüllen Geheimnisse des Gehirns mit Hilfe von NVIDIA-GPUs

Wissenschaftler des Jülicher Forschungszentrums setzen in Zukunft im Jülich Supercomputing Centre (JSC) auf NVIDIA-GPUs. Europas größte und rechenstärkste Supercomputing-Einrichtung beschleunigt mit den GPUs fortgeschrittene neurologische Forschung, um die Geheimnisse des menschlichen Gehirns zu entschlüsseln.

Außerdem kündigt NVIDIA eine mehrjährige Zusammenarbeit mit dem Centre an, um die nächste Generation GPU-beschleunigter Forschung im Bereich Neurowissenschaften sowie anderen Themenfeldern – darunter Astronomie, Astrophysik, Materialforschung, Teilchenphysik und Protein-Faltung – anzukurbeln. Gleichzeitig starten die Partner das „NVIDIA Application Lab“, das sich ebenfalls im JSC befindet. Es handelt sich um eine gemeinsam geleitete und betreute Einrichtung für die europäische Wissenschaftler-Gemeinde.

Das Laboratorium ermöglicht es Wissenschaftlern aus ganz Europa, von GPU-beschleunigtem Supercomputing zu profitieren, indem es optimierte Wissenschaftsanwendungen und technischen Support anbietet.

“Jülich ist eine der einflussreichsten Supercomputing-Einrichtungen in Europa. Die Erfolgsbilanz bei der Lösung von schwierigsten wissenschaftlichen Problemen ist beeindruckend“, sagt Steve Scott, Chief Technology Officer Tesla bei NVIDIA. „Das neue Application Lab mit Fokus auf die bahnbrechenden Vorteile von GPUs wird seine Position als eines der weltweit führenden Institutionen bei zukünftigen wissenschaftlichen Entdeckungen ausbauen.“

Fortgeschrittene Gehirnforschung in Jülich
Neurowissenschaften gehören zu den aufregendsten und immer wichtiger werdenden Themenkomplexen des Forschungszentrums Jülich. Das JSC verfolgt einen neuen Ansatz bei der fortgeschrittenen Gehirnforschung mit dem Ziel, Ursachen und mögliche Behandlungsmethoden für Autismus, Multiple Sklerose, Alzheimer und andere – das Gehirn schwächende – Krankheiten zu entwickeln.

Forscher des Jülicher Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)) sowie des Forschungszentrums Jülich setzen NVIDIA-Tesla-GPUs ein, um die Rekonstruktion von histologischen Hirnsektionen um den Faktor 50 zu beschleunigen. Dies ist notwendig, um ein hochauflösendes, strukturell korrektes und realistisches Modell des menschlichen Gehirns zu rendern. Das fertige Modell liefert Forschern eine bisher unerreichte Sichtbarkeit von Hirnarchitektur und –Funktion sowie Hirnverbindungen mit einem Detailgrad, über den Neurowissenschaftler bis dato nicht verfügen.

Um das Modell zu erschaffen, rekonstruieren Wissenschaftler des INM1-Instituts eine große Sammlung von Datensätzen inklusive Bildern histologischer Sektionen (mikroskopische Gewebestrukturen), magnetischer Resonanzaufnahmen und Bildern erweiterter Bildgebung mit polarisiertem Licht (3D-PLI). 3D-PLI bietet – für jedes Voxel des Gehirns – Informationen über die Richtung und Neigung von Hirn-Fasersträngen. Um die Stränge über eine große Strecke zu verfolgen, werden Traktographie-Algorithmen angewendet, die ebenfalls den Einsatz leistungsstarker GPUs erfordern.

“3D-PLI ist der einzige Weg, um hochdetaillierte Aufnahmen von Nerven-Fasern eines Gehirns eines erwachsenen Menschen zu erlangen. Allerdings stellt das Rekonstruieren und Rendern in Echtzeit für den weltweit ersten Mikroatlas des menschlichen Gehirns wegen des hohen Rechenaufwands ein Problem dar“, sagt die Professorin Katrin Amunts, Direktorin des INM-1. „Stellen Sie sich Milliarden von Nervenzellen im menschlichen Gehirn vor, die mit Fasern verbunden sind und Sie erhalten ein Gefühl dafür, wie komplex und schwer es ist, ein exaktes Modell des Netzwerks des menschlichen Gehirns zu entwickeln.“

Jülich erhofft sich grundlegende Schlüsselerkenntnisse aus den neurowissenschaftlichen Forschungen zu gewinnen, die als Blaupause für das NVIDIA Application Lab dienen, um weitere fortgeschrittene, GPU-beschleunigte Forschungsprojekte in vielen weiteren Wissenschaftsfeldern zu ermöglichen.

Adressiert an hunderte europäische Wissenschaftler
Ende des Monats wird das NVIDIA Application Lab hunderten Wissenschaftlern aus Europa – inklusive der PRACE High Performance Computing Organization – ermöglichen, von den GPU-beschleunigten Systemen des JSC zu profitieren, indem es optimierte Wissenschaftsanwendungen und technischen Support anbietet.

Das neue Labor wird den Prozess, zukünftige und existierende Wissenschaftsanwendungen einzurichten beziehungsweise zu optimieren, modernisieren, um die Vorteile der GPU-Beschleunigung auszunutzen“, sagt Professor Thomas Lippert, Direktor des JSC. „Diese Vereinbarung versetzt hunderte Wissenschaftler in die Lage, auf die gewaltige Kraft des GPU-Computing zuzugreifen, um jegliche Forschungen zu verbessern.“

Forscher aus Jülich sowie externe Wissenschaftler nutzen dessen GPU-beschleunigte Supercomputer inklusive des 206-Node-Jülich-Dedicated-GPU-Environment-(JuDGE)-Systems, das mit NVIDIA-Tesla-GPUs ausgestattet ist und zirka 240 Teraflops Spitzenleistung liefert.

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