3

Исцеляющая машина

ВИРДЖИНИЯ-БИЧ – В прошлом году Нобелевская премия по медицине была присуждена за открытие, на которое было потрачено 44 года работы двух различных исследовательских групп. Прорыв обещает новые виды диагностики и терапии, но что, если такие идеи могут разрабатываться с помощью компьютеров, и не за десятилетия, а за считанные минуты? Недавнее появление нового коронавируса, который убил девять человек в Великобритании и на Ближнем Востоке, является напоминанием, что зачастую необходимо очень быстро создавать новые методы лечения.

При помощи различных моделируемых абстракций можно было бы построить систему искусственного интеллекта (ИИ), которая могла бы разрабатывать новые методы лечения. Подобная система могла бы предложить неожиданные и эффективные методы лечения, поскольку она понимала бы болезни путями, которые людям сложно вообразить. Идея кажется научной фантастикой: все знают, что ИИ не особо умен.

Chicago Pollution

Climate Change in the Trumpocene Age

Bo Lidegaard argues that the US president-elect’s ability to derail global progress toward a green economy is more limited than many believe.

Для того чтобы воплотить в жизнь что-то вроде «Исцеляющей машины», необходима как минимум одна далеко идущая инновация: лучший способ моделирования всей с��стемы, который предоставит новые концептуальные инструменты, как для биологии, так и для вычислительной техники.

В обеих сферах традиционный подход являлся редукционистским, когда проблемы моделируются на уровне их наиболее базовых компонентов. И в то время как этот метод позволяет нам создавать «экспертные системы», способные делать умозаключения в узкоспециализированных областях, или поисковые движки, которые могут находить дискретные факты, мы не приблизились к созданию ИИ, который мог бы понимать метод наших рассуждений ‑ при том в нескольких контекстах, включая время. ИИ не может интегрировать информацию о, казалось бы, очевидных процессах, таких как химические, физиологические и психологические события, или предвидеть новые результаты. Мы делаем эти вещи за ужином.

Ключом является нововведение. Чтобы создать исцеляющую машину, нам потребуется найти способ позволить компьютерам собирать концепции таким образом, чтобы могли возникать неожиданные механизмы.

В биологии наблюдается аналогичный редукционистский подход, лучше всего иллюстрируемый Проектом человеческого генома, который каталогизировал молекулярный «рецепт» каждого аспекта тела, чтобы узнать, как взаимодействуют между собой наиболее базовые элементы. Увы, ожидаемая революция в терапии все еще не произошла.

Во всем мире общие годовые инвестиции в биомедицинские исследования составляют около 110 миллиардов долларов США. Только в исследования ВИЧ ежегодно инвестируют много миллиардов. Однако, несмотря на 25 лет инвестиций в структурную биологию, мы по-прежнему не в состоянии двигаться от понимания молекул к пониманию целостных систем. Модель динамики между несколькими процессами ‑ химическими, физиологическими и психологическими ‑ даст новое понимание тому, как действуют заболевания.

Например, рассмотрим обоняние. Полость носа уникальна, поскольку является единственным местом, где клетки мозга (нейроны) подвергаются непосредственному воздействию со стороны окружающей среды. Если мы моделируем запах в местных условиях, мы можем проследить, как носовые нейроны взаимодействуют с частицами запаха, посылая сигналы через сеть других нейронов в мозг. В структурной биологии у нас существуют хорошие абстракции, чтобы описать этот процесс.

Однако эти нейроны также являются частью адаптивной и регенеративной системы. Сенсорные нейроны умирают запрограммированной смертью; вы в буквальном смысле ежемесячно получаете новое обоняние. Моделирование этого процесса требует учета не только местной сигнальной системы. Нейроны работают как кооперативная группа: к месту прибывает больше нейронов, чем необходимо для простой замены. Для того чтобы облегчить замену, лишние нейроны становятся частью диалога с окружающими клетками, а другие углубляются в мозг и затем жертвуют собой. Чтобы пояснить их добровольную смерть, нам необходима новая лексика системного уровня.

И на этом процесс не прекращается. После замены ваши нейроны изменяются. Если вы недавно влюбились (или получили травму) и получили связанный с этим событием запах, у вас может развиться повышенная чувствительность к данному запаху. Ваш физио-когнитивный аппарат эволюционирует.

Этот процесс чрезвычайно интересует исследователей, поскольку он является одним из двух случаев, в которых происходит нейронная регенерация. Понимание данного процесса могло бы привести к излечению многих калечащих заболеваний, как неврологических (например, болезни Паркинсона и Альцгеймера), так и дегенеративных (в том числе и таких, как связанный со старением рак).

Одним из способов понять, как возникает это согласование более высокого уровня, это изучение его в более доступной форме. В момент, когда это случается, существует возникающая естественным путем информационная структура, в которой легче наблюдать и объяснять необходимое поведение. Подобная структура может быть найдена в повествованиях.

Повествования удивительны в том смысле, что они позволяют нам понять новые концепции и продолжать разбираться в них, даже если они включают в себя многочисленные контексты и неожиданные ассоциации. Мы воспринимаем полученный от повествования эффект как должное: неожиданную концовку, интригующие ситуации и принуждение читать или смотреть до конца. Если бы модели биологии и ИИ включали данную динамику, они могли бы продемонстрировать нам, каким образом неожиданные элементы возникают из развивающейся согласованности.

Fake news or real views Learn More

Действительно, включение данного принципа в обе области науки могут привести к новым диагностическим возможностям и новым формам индивидуализированного лечения, подразумевающим особые формы лечения для каждого отдельного человека. Таким инфекциям, как коронавирус, в настоящее время противостоят с помощью вакцин, разработанных таким образом, чтобы блокировать их. Но что если бы существовал способ «настроить» тело таким образом, чтобы оно отражало любые инфекции. Например, существует несколько случаев естественного иммунитета к ВИЧ, однако мы не в состоянии понять, как это работает.

Задача биомедицинских и вычислительных исследований заключается в моделировании динамики между различными процессами на уровне целостных систем. Как только мы добьемся этого, у нас появится куда больше шансов разработать инструменты ИИ, которые будут способны создать неожиданный прорыв в понимании того, каким образом тело способствует или противостоит болезням.