дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Инфраструктура для крупномасштабных вычислительных исследований в области нейрологии

9 November 2019

https://pin.it/xm4evtlgnyeg2b
https://pin.it/xm4evtlgnyeg2b

За последние несколько десятилетий наблюдался огромный рост в развитии компьютерной нейрологии. Это нашло отражение в научной литературе, благодаря появлению новых журналов, посвященных теоретической и вычислительной нейрологии (например, Нейронные Вычисления, журнал вычислительной неврологии), а также в публикации статей по моделированию в общей неврологической научной литературе. Аналогичным образом, важность компьютерного моделирования в нейрологии очевидна из предложений, представленных и финансируемых NSF, NIH и другими организациями по всему миру. Предложения, представленные экспериментаторами, содержат значительный компонент вычислительных исследований. В то же время мощные симуляционные среды, такие как NEURON, NEST, Brian, PyNN, MOOSE, GENESIS развивались вместе с инструментами обмена моделями и информацией, такими как Model DB, Open Source Brain (OSB), OpenWorm, Neuroscience Information Framework (NIF) и NeuroML. Высокопроизводительные вычислительные ресурсы (ВВР) были разработаны для просчета больших параллельных нейронных моделей. Исследователи, занимающиеся визуализацией, обрабатывают большой объем данных, поступающих из различных методов отображения МРТ, фМРТ, ЭЭГ, и нуждаются в мощных вычислительных ресурсах для обработки этих данных. Как хорошо известно, за последнее десятилетие, или около того, наблюдался огромный рост киберинфраструктуры (КИ), включая высокопроизводительные вычислительные мощности, ресурсы данных, быстрые сети, программное обеспечение и рабочие процессы.

https://pin.it/qhunlaei6ql3st
https://pin.it/qhunlaei6ql3st

Все это дает возможность многим специалистам в области нейронаук использовать вычислительные мощности для исследований, которые включают сложные модели (особенно крупномасштабные сети) или сложные протоколы (часто включающие правила обучения), или требуют высоко-размерной оптимизации или исследования параметров пространства или обработки большого количества данных визуализации. Такие проекты имеют огромный потенциал для использования КИ, но большинство нейрологов ученых визуализаторов не имеет простого доступа к таким высокопроизводительным ресурсам и во многих случаях вынуждены оставлять свои исследования «маленькими», чтобы их можно было разместить на локальном рабочем сервере или ведомственных вычислительных ресурсах, которые тоже невелики.

Хотя ВВР имеются в национальных суперкомпьютерных центрах во многих странах, доступ исследователей-неврологов к этим ВВР мощностям ограничен обычными административными и техническими барьерами, которые включают в себя процесс ежегодного запроса времени на ресурсы высокопроизводительных вычислений, что является пугающим для большинства новичков. Так же сюда можно отнести трудность понимания архитектуры высокопроизводительных вычислений и сложной операционной и программной среды, для оптимальной установки приложений на различные ВВР ресурсы, необходимость изучения политики и деталей систем, отличающихся друг от друга в каждом высокопроизводительном кластере, проблема управления рабочим процессом с использованием нескольких систем удаленной аутентификации и выявление проблем в передаче данных, получения выходных результатов и сложность хранения данных.

Решением этой проблемы является создание слоя общественной инфраструктуры, называемого научным шлюзом, который абстрагируется от необходимости разбираться с деталями основного оборудования и обеспечивает исследователям в области нейронаук легкий доступ к лучшим в своем классе пакетам нейронаучного моделирования и анализа на очень больших ВВР ресурсах.

https://pin.it/i3pkpuqxlvg54l
https://pin.it/i3pkpuqxlvg54l

В 2012 году Национальный научный фонд (ННФ) США профинансировал проект Neuroscience Gateway (NSG), который позволяет отдельным нейрологам использовать свободное время суперкомпьютера на ресурсах ВВР компании ННФ в экстремальной среде научных и инженерных открытий (ЭСНИО). Все административные и технические барьеры, которые в противном случае затрудняли использование исследователями ресурсов ВВР для компьютерного моделирования, управляются командой NSG. NSG действует с начала 2013 года и насчитывает более 300 пользователей. Насколько известно, это первый и единственный открытый научный шлюз, доступный для сообщества нейробиологов во всем мире и который обеспечивает свободный доступ к ресурсам ВВР для любого человека из любой точки земли. Около 60% пользователей NSG - из США, остальные - из Европы, Азии и других стран.

В 2015 году ННФ США и Научно-исследовательский совет по биотехнологии и биологическим наукам (НИСББН) Великобритании, совместно выделили международный грант, в рамках которого для NSG были реализованы услуги RESTful. Это позволило исследователям получить программный доступ к ресурсам ВВР для сложного компьютерного моделирования как из знакомой среды проектов сообщества в нейробиологии (таких как OSB, ModelDB, OpenWorm и NIF), так и из привычной рабочей среды, существующей на локальном компьютере отдельных пользователей. Интеграция с общинными проектами значительно повысит влияние ВВР на нейронаучное сообщество.

Все это свидетельствует о том, что NSG заполняет вакуум, который существовал для исследователей вычислительной нейрологии, стремящихся участвовать в крупномасштабных нейронных симуляциях и обработке данных визуализации. NSG задействован в разработке моделей мозга, проведении крупномасштабных нейронных симуляций на суперкомпьютерах, анализе больших массивов данных и создании новых инструментов моделирования и нейроинформатики. Neuroscience Gateway может стать ключевым ресурсом для новых, интенсивных с точки зрения вычислений, исследований в нейронаучных проектах.