Comment les GPU révolutionnent la science de la mémoire
Quel rapport entre une carte graphique pour jeux vidéo et la compréhension de la mémoire humaine et des maladies cérébrales ? Il est considérable. Une équipe de recherche du Laboratoire de biologie marine de Woods Hole, dans le Massachusetts, utilise des cartes graphiques NVIDIA RTX et des stations de travail HP Z pour étudier comment notre cerveau stocke les souvenirs au niveau moléculaire.
Leurs travaux portent sur l'hippocampe, une structure cérébrale en forme de cheval de mer qui joue un rôle essentiel dans la formation et le stockage des souvenirs. Grâce à de puissants GPU, des stations de travail hautes performances et des outils de réalité virtuelle, l'équipe transforme d'immenses ensembles de données d'imagerie cérébrale en environnements 3D interactifs que les scientifiques et même les lycéens peuvent explorer.
Ce projet montre comment du matériel issu des mêmes familles de GPU utilisées pour les jeux et la création de contenu peut également être à l'origine de découvertes et de visualisations scientifiques de pointe.
Au cœur de la forêt neuronale : des données cérébrales 3D massives
Pour comprendre la mémoire, les chercheurs zooment bien au-delà de ce que l'œil nu peut percevoir. Ils étudient les cellules cérébrales de l'hippocampe à une résolution extrêmement élevée, en se concentrant sur de minuscules marqueurs protéiques susceptibles d'intervenir dans l'encodage des souvenirs.
Le chercheur principal, Andre Fenton de l'Université de New York, compare l'hippocampe à une forêt dense. Chaque neurone est comme un tronc d'arbre et ses ramifications comme des feuilles. Dissimulées dans cette forêt se trouvent des protéines spécifiques essentielles à la mémoire, qui ne représentent qu'environ un pour cent de l'ensemble des protéines présentes dans cette région. Les trouver et les étudier revient à chercher quelques feuilles particulières dans une forêt de milliards d'arbres.
Pour saisir ce niveau de détail, l'équipe collecte d'énormes volumes de données volumétriques 3D. Avec les outils traditionnels, le simple stockage et la vérification de ces images constituaient un goulot d'étranglement. L'intégration des GPU NVIDIA RTX et des stations de travail HP Z dans le flux de travail a tout changé.
- Les chercheurs ont recueilli environ 10 téraoctets de données cérébrales 3D haute résolution.
- Les GPU NVIDIA RTX prennent en charge la majeure partie du travail de rendu et de traitement de ces données.
- Les stations de travail hautes performances HP Z offrent la puissance de calcul, la mémoire et le stockage nécessaires pour gérer et analyser les ensembles de données massifs.
L'accélération GPU permet d'effectuer des contrôles de qualité visuelle et une exploration interactive des données qui seraient autrement extrêmement lentes, voire impossibles, sur les systèmes de bureau classiques.
Côté logiciel, l'équipe utilise syGlass, une plateforme de réalité virtuelle conçue pour la visualisation scientifique. Fonctionnant sur des stations de travail HP Z6 équipées de plusieurs cartes graphiques NVIDIA RTX, syGlass permet aux chercheurs d'explorer les données cérébrales 3D en réalité virtuelle et d'inspecter les structures en temps réel.
Des GPU aux percées dans le domaine de la santé cérébrale
L'objectif scientifique de toutes ces technologies est crucial. L'équipe souhaite comprendre la mémoire au niveau moléculaire. En étudiant l'organisation des protéines dans l'hippocampe et le lien entre leur localisation, leur structure et la fonction mnésique, les scientifiques pourraient découvrir des indices sur des maladies comme Alzheimer et la démence.
Les chercheurs s'intéressent particulièrement aux conséquences d'un mauvais positionnement de ces protéines clés. En comparant les schémas physiologiques normaux à des schémas altérés, ils espèrent comprendre les mécanismes des défaillances de la mémoire et leur lien avec les troubles neuropsychiatriques et neurocognitifs.
Tout cela exige des images 3D extrêmement détaillées et haute résolution, ainsi que la possibilité de s'y déplacer sans attendre plusieurs minutes le rendu de chaque image. C'est précisément là que les GPU excellent. La même puissance de traitement parallèle qui améliore la fréquence d'images dans les jeux PC modernes permet désormais aux scientifiques d'explorer avec fluidité des données cérébrales denses en réalité virtuelle, d'examiner les structures sous tous les angles et de repérer les marqueurs protéiques importants.
Comme le souligne Abhishek Kumar, co-chercheur, comprendre le fonctionnement d'un système permet de mieux cerner ses dysfonctionnements et d'y remédier. Pour le cerveau, cela pourrait se traduire par de nouvelles perspectives sur la formation des souvenirs et sur le traitement des troubles de la mémoire et des fonctions cognitives.
Casques de réalité virtuelle, lycéens et sciences expérimentales
L'un des aspects les plus intéressants de ce projet réside dans son accessibilité accrue grâce à la réalité virtuelle. En utilisant syGlass et des stations de travail HP Z équipées de cartes graphiques NVIDIA RTX, l'équipe a transformé un problème de recherche fastidieux en une exploration virtuelle captivante.
Ils ont accueilli trois lycéens stagiaires au laboratoire et leur ont fourni des casques de réalité virtuelle connectés aux systèmes d'accélération GPU. En immersion dans la réalité virtuelle, les élèves pouvaient visualiser les données de l'hippocampe en 3D, se déplacer dans la forêt de neurones et rechercher des marqueurs protéiques spécifiques liés à la mémoire.
Leur mission consistait à identifier et à étiqueter les protéines appropriées parmi des milliards de neurones et d'innombrables marqueurs ; une tâche complexe, mais étonnamment bien adaptée à la reconnaissance de formes par l'humain, pourvu qu'on dispose des outils adéquats. Grâce au rendu en temps réel sur les GPU RTX, les étudiants pouvaient interagir avec les données de manière fluide, sans avoir à subir de longs rafraîchissements ni de latence.
Le programme pilote a été un succès. Les chercheurs envisagent désormais d'étendre cette approche à un plus grand nombre d'étudiants sur plusieurs sites. Grâce à une combinaison adéquate de matériel, de logiciels et de réalité virtuelle, la recherche sur le cerveau complexe devient un domaine auquel les étudiants motivés peuvent contribuer directement, tout en se familiarisant avec les neurosciences et l'informatique avancée.
Ce projet illustre parfaitement comment du matériel informatique de qualité professionnelle, comme les cartes graphiques NVIDIA RTX et les stations de travail HP Z, peut s'appliquer non seulement aux jeux et aux tâches créatives, mais aussi à la visualisation scientifique de pointe. Les mêmes gains de performance que les joueurs recherchent (fréquences d'images plus élevées et graphismes plus fluides) permettent aux scientifiques d'explorer de manière interactive d'immenses ensembles de données 3D, transformant ainsi des données brutes en une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau.
Article et image originaux : https://blogs.nvidia.com/blog/mbl-human-memory-ai-vr-rtx/
