Simulation exascale de l'électrophysiologie cardiaque pour la recherche sur les arythmies – Exacard

Les maladies cardiovasculaires sont une cause de décès majeure, dont la moitié dus à un trouble du rythme cardiaque. Dans chaque cellule, des millions d'acteurs moléculaires, canaux, pompes, échangeurs, produisent un signal électrique qui synchronise la contraction cardiaque en se propageant dans le tissu. Une désorganisation de ce système complexe peut causer des arythmies mortelles, lorsque la contraction cardiaque devient inefficace.

À cause de la complexité de ce système d'activation, la recherche en électrophysiologie cardiaque a traditionnellement une forte composante de modélisation numérique. Les modèles sont des systèmes de réaction-diffusion qui représentent l'équilibre électrostatique entre les potentiels des milieux intra et extra-cellulaires. Ils sont couplés à des systèmes d'équations différentielles non linéaires qui modélisent l'électrophysiologie membranaire. Actuellement, les modèles numériques complets (coeur et torse) les plus réalistes possèdent 10 à 100 millions de noeuds, 10 à 30 variables par noeud, et utilisent le calcul haute performance (HPC).

Même dans ces modèles, chaque maille représente des centaines de cellules cardiaques. C'est suffisant pour simuler des tissus sans défaut de structure, alors même que ces défauts sont désormais connus pour être cruciaux dans le développement de presque toutes les arythmies. L'initiation des arythmies a lieu au niveaux de détails localisés de l'échelle de la cellule, et les tissus qui ont ces détails arythmogènes génèrent des signaux de surface, comme l'électrocardiogramme, ayant des morphologies caractéristiques. Pour les représenter convenablement, la résolution des modèles doit descendre des 100 à 200um actuels à environ 10um.

Pour cela, il ne suffit pas de déployer les codes existants sur la génération suivante de supercalculateurs. La taille des problèmes et les résolutions spatiales et temporelles auront des conséquences sur les méthodes numériques et les solveurs. De plus, l'hétérogénéité des supercalculateurs s'accroit, avec l’intégration d'accélérateurs, de processeurs hybrides, ... La répartition de la charge dans ce contexte requiert de nouveaux développements. Enfin, les écritures sur disque des sorties des modèles sont déjà une difficulté importante, qui va croitre avec l'échelle des simulations.

Nous allons chercher à atteindre la résolution spatiale souhaité de 10um. Pour atteindre cet objectif, nous combinerons des avancées sur les stratégies numériques, les schémas de parallélisme et les supports d'exécution des tâches. Nous sommes deux équipes spécialistes de ces domaines, qui collaborerons étroitement sur ce projet. Nous devrons développer des approches innovantes pour la discrétisation et la résolution numérique, et pour les supports d'exécution parallèles. Enfin, nous baserons notre travail sur un solveur HPC de l'électrocardiologie déjà mature, et nous nous attacherons à conserver un code utilisable en pratique, qui tende vers une résolution spatiale de 10um. C'est à dire qu'il devra pouvoir être utilisé pour des études numériques permettant de contribuer à notre compréhension ou au diagnostic des arythmies cardiaques. C'est pourquoi nous réunissons sur ce projet des expertises sur le calcul parallèle à large échelle, les méthodes numériques, les langages et supports d'exécution pour le parallélisme ainsi que sur les simulations cardiaques. Un nouveau code sera disponible, qui permettra d'améliorer la résolution d'un facteur 1000.

Ce projet aura un impact sur 1) le niveau de réalisme des simulations cardiaques, notamment lorsque des défauts de structure cardiaque sont en jeu, 2) les méthodes numériques pour les équations de réaction-diffusion et 3) les développements et la mise en oeuvre des supports d'exécution parallèles.