כיצד מחשבים עוזרים לביולוגים לפצח את סודות החיים

כיצד מחשבים עוזרים לביולוגים לפצח את סודות החיים

לאחר שרצף הגנום האנושי בן שלושה מיליארד האות, מיהרנו לתוך "חדשomicsעידן המחקר הביולוגי. מדענים רצים כעת לרצף את הגנום (כל הגנים) או הפרוטומים (כל החלבונים) של אורגניזמים שונים - ובתוך כך הם אוספים כמויות אדירות של נתונים.

לדוגמה, מדען יכול להשתמש בכלים של "אומיקים" כגון רצף DNA כדי להקניט אילו גנים אנושיים מושפעים בזיהום שפעת ויראלית. אך מכיוון שלגנום האנושי יש לפחות 25,000 גנים בסך הכל, מספר הגנים שהשתנה אפילו בתרחיש פשוט כזה עשוי להיות באלפים.

למרות שרצף וזיהוי גנים וחלבונים נותנים להם שם ומקום, זה לא אומר לנו מה הם עושים. עלינו להבין כיצד הגנים, החלבונים וה כל הדברים שביניהם אינטראקציה בתהליכים ביולוגיים שונים.

כיום, אפילו ניסויים בסיסיים מניבים נתונים גדולים, ואחד האתגרים הגדולים ביותר הוא ניתוק התוצאות הרלוונטיות מרעשי רקע. מחשבים עוזרים לנו להתגבר על הר הנתונים הזה; אבל הם יכולים אפילו ללכת רחוק יותר מזה, לעזור לנו להמציא השערות מדעיות ולהסביר תהליכים ביולוגיים חדשים. מדעי הנתונים, במהותם, מאפשרים מחקר ביולוגי חדשני.

מחשבים להצלה

מחשבים מוסמכים באופן ייחודי לטפל במערכות נתונים מאסיביות מכיוון שהם יכולים במקביל לעקוב אחר כל התנאים החשובים הדרושים לניתוח.

למרות שהם יכול לשקף טעויות אנוש עם תוכנתם, מחשבים יכולים להתמודד עם כמויות גדולות של נתונים ביעילות והם אינם מוטים כלפי המוכר כפי שחוקרים אנושיים עשויים להיות.

ניתן ללמד מחשבים גם לחפש דפוסים ספציפיים במערכות נתונים ניסיוניות - מושג המכונה למידת מכונה, שהוצע לראשונה בשנות החמישים, ובראשן המתמטיקאי. אלן טיורינג. לאחר מכן ניתן לבקש מאלגוריתם שלמד את הדפוסים ממערכות נתונים לבצע תחזיות המבוססות על נתונים חדשים שמעולם לא נתקלו בהן.

למידת מכונה חוללה מהפכה במחקר הביולוגי מכיוון שאנו יכולים כעת להשתמש במערכות נתונים גדולות ולבקש ממחשבים לסייע בהבנת הביולוגיה העומדת בבסיסו.

הכשרת מחשבים לחשיבה באמצעות סימולציה של תהליכי מוח

השתמשנו בסוג אחד מעניין של למידת מכונה, הנקראת רשת עצבית מלאכותית (ANN), במעבדה שלנו. המוח הן רשתות קשורות מאוד של נוירונים, המתקשרות באמצעות שליחת פולסים חשמליים דרך החיווט העצבי. באופן דומה, ANN מדמה במחשב רשת של נוירונים כשהם נדלקים ומכבים בתגובה לאותות נוירונים אחרים.

על ידי יישום אלגוריתמים המחקים את התהליכים של נוירונים אמיתיים, אנו יכולים לגרום לרשת ללמוד לפתור סוגים רבים של בעיות. גוגל משתמשת ב- ANN רב עוצמה בזכות המפורסם שלה כיום פרויקט חלום עמוק שבו מחשבים יכולים לסווג ואף ליצור תמונות.


 קבל את הדוא"ל האחרון

מגזין שבועי השראה יומית

הקבוצה שלנו חוקרת את המערכת החיסונית, במטרה למצוא טיפולים חדשים לסרטן. השתמשנו במודלים חישוביים של ANN לחקר קודי חלבון משטח קצרים שתאי החיסון שלנו משתמשים בהם כדי לקבוע אם משהו זר לגוף שלנו ולכן יש לתקוף אותו. אם נבין יותר כיצד תאי החיסון שלנו (כגון תאי T) מבדילים בין תאים נורמליים/עצמיים לחריגים/זרים, נוכל לתכנן חיסונים וטיפולים טובים יותר.

סרקנו קטלוגים זמינים לציבור של אלפי קודי חלבון שזוהו על ידי חוקרים לאורך שנים. חילקנו את קבוצת הנתונים הגדולה לשניים: קודים נורמליים של חלבון עצמי שמקורם בתאים אנושיים בריאים, וקודי חלבון חריגים שמקורם בנגיפים, גידולים וחיידקים. לאחר מכן פנינו לרשת עצבית מלאכותית שפותחה במעבדה שלנו.

ברגע שהזנו את קודי החלבון ל- ANN, האלגוריתם הצליח לזהות הבדלים מהותיים בין קודי חלבון רגילים וחריגים. לאנשים יהיה קשה לעקוב אחר תופעות ביולוגיות מסוג זה - יש ממש אלפי קודי חלבון אלה לנתח במערך הנתונים הגדול. נדרשת מכונה כדי לסבך את הבעיות המורכבות הללו ולהגדיר ביולוגיה חדשה.

תחזיות באמצעות למידת מכונה

היישום החשוב ביותר של למידת מכונה בביולוגיה הוא התועלת שלה בניבוי תחזיות המבוססות על נתונים גדולים. תחזיות מבוססות מחשב יכולות להבין את הנתונים הגדולים, לבדוק השערות ולחסוך זמן יקר ומשאבים.

למשל, בתחום הביולוגיה שלנו של תאי T, הידיעה לאיזה קוד חלבון ויראלי למקד היא קריטית בפיתוח חיסונים וטיפולים. אבל יש כל כך הרבה קודי חלבון בודדים מכל וירוס נתון שזה מאוד יקר וקשה לבדוק כל אחד מהניסויים.

במקום זאת, הכשרנו את הרשת העצבית המלאכותית כדי לסייע למכונה ללמוד את כל המאפיינים הביוכימיים החשובים של שני סוגי קודי החלבון-נורמלי לעומת לא נורמלי. אחר כך ביקשנו מהמודל "לחזות" אילו קודי חלבון ויראליים חדשים דומים לקטגוריה "לא תקינה" וניתן לראות אותם על ידי תאי T ובכך, המערכת החיסונית. בדקנו את מודל ANN על חלבוני וירוסים שונים שמעולם לא נחקרו קודם לכן.

אין ספק, כמו תלמיד חרוץ להוט לרצות את המורה, הרשת העצבית הצליחה לזהות במדויק את רוב קודי החלבון המפעילים תאי T בתוך וירוס זה. כמו כן, בדקנו בניסוי את קודי החלבון שסימן כדי לאמת את הדיוק של תחזיות ה- ANN. באמצעות מודל רשת עצבי זה, יכול מדען כך לנבא במהירות את כל קודי החלבון הקצרים החשובים מנגיף מזיק ובדוק אותם לפיתוח טיפול או חיסון, במקום לנחש ולבדוק אותם בנפרד.

יישום למידת מכונה בתבונה

הודות לשיפור מתמיד, מדעי הנתונים הגדולים ולמידת המכונה הופכים יותר ויותר הכרחיים לכל סוג של מחקר מדעי. האפשרויות לשימוש במחשבים לאימון ולניבוי בביולוגיה הן כמעט אינסופיות. החל להבין איזה שילוב של סמנים ביולוגיים הם הטובים ביותר לגילוי מחלה ועד להבנת מדוע בלבד חלק מהחולים נהנים מטיפול מסוים בסרטן, כריית ערכות נתונים גדולות באמצעות מחשבים הפכה למסלול יקר למחקר.

כמובן שיש מגבלות. הבעיה הגדולה ביותר במדעי הנתונים הגדולים היא הנתונים עצמם. אם הנתונים המתקבלים על ידי מחקרי -אומי אינם תקינים מלכתחילה או מבוססים על מדע גרוע, המכונות ילמדו על נתונים גרועים -מה שמוביל תחזיות גרועות. התלמיד טוב רק כמו המורה.

מכיוון שמחשבים אינם רגישים (עוד), הם יכולים בחיפושם אחר דפוסים לבוא איתם גם כאשר אף אחד לא קיים, ולגרום שוב לנתונים גרועים ולמדע שאינו ניתן לשחזור.

וכמה חוקרים העלו חששות לגבי הופכת מחשבים קופסאות שחורות של נתונים למדענים שאינם מבינים בבירור את המניפולציות והעיכולים שהם מבצעים בשמם.

למרות בעיות אלה, היתרונות של נתונים גדולים ומכונות ימשיכו להפוך אותם לשותפים בעלי ערך במחקר מדעי. בהתחשב באזהרות, אנו מוכנים באופן ייחודי להבין את הביולוגיה דרך עיניה של מכונה.

על המחברשיחה

סרי קרישנה, ​​מועמד לתואר שלישי, עיצוב ביולוגי, בית הספר להנדסת מערכות ביולוגיות ובריאות, אוניברסיטת מדינת אריזונה ודייגו צ'ואל, סטודנט לתואר שלישי במתמטיקה שימושית, אוניברסיטת מדינת אריזונה.

מאמר זה פורסם במקור ב שיחה. קרא את מאמר מקורי.


ספר קשור:

at InnerSelf Market ואמזון

 

 

אולי גם תאהב

עקוב אחר InnerSelf ב

אייקון פייסבוקאייקון טוויטרסמל YouTubeאייקון אינסטגרםסמל pintrestאייקון rss

 קבל את הדוא"ל האחרון

מגזין שבועי השראה יומית

שפות זמינות

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeeliwhihuiditjakomsnofaplptroruesswsvthtrukurvi

קולות פנימיים

ליקוי ירח, 12 במאי 2022
סקירה אסטרולוגית והורוסקופ: 23 - 29 במאי 2022
by פאם יונגאנס
כתב העת האסטרולוגי השבועי מבוסס על השפעות פלנטריות ומציע נקודות מבט ו ...
05 21 מחדש את הדמיון בזמנים מסוכנים 5362430 1920
פיתול מחדש של הדמיון בזמנים מסוכנים
by נטורזה גבריאל קראם
בעולם שלעתים קרובות נראה ככוונה להרוס את עצמו, אני מוצא את עצמי אוצר יופי - מהסוג...
קבוצה של אנשים רב-גזעיים עומדים לתמונה קבוצתית
שבע דרכים בהן תוכל להראות כבוד לצוות המגוון שלך (וידאו)
by קלי מקדונלד
כבוד הוא בעל משמעות עמוקה, אבל לא עולה כלום לתת. הנה דרכים בהן תוכל להדגים (ו...
פיל הולך מול שמש שוקעת
סקירה אסטרולוגית והורוסקופ: 16 - 22 במאי 2022
by פאם יונגאנס
כתב העת האסטרולוגי השבועי מבוסס על השפעות פלנטריות ומציע נקודות מבט ו ...
תמונה של ליאו בוסקליה מעל כריכת ספרו: לחיות, לאהוב וללמוד
איך לשנות את חייו של מישהו בכמה שניות
by ג'ויס ויסל
חיי השתנו באופן דרמטי כשמישהו לקח את השניה הזו כדי להצביע על היופי שלי.
צילום מורכב של ליקוי ירח מלא
סקירה אסטרולוגית והורוסקופ: 9 - 15 במאי 2022
by פאם יונגאנס
כתב העת האסטרולוגי השבועי מבוסס על השפעות פלנטריות ומציע נקודות מבט ו ...
05 08 פיתוח חשיבה חמלה 2593344 הושלם
פיתוח חשיבה מלאת חמלה כלפי עצמי ואחרים
by מארי ט 'ראסל, InnerSelf.com
כשאנשים מדברים על חמלה, הם בעיקר מתייחסים לחמלה כלפי אחרים... על...
אדם כותב מכתב
לכתוב את האמת ולאפשר לרגשות לזרום
by ברברה ברגר
כתיבת דברים היא דרך טובה לתרגל אמירת אמת.
הבנה וניהול של מיכל האנרגיה שלך: "מסוכך, מר סולו"
הבנה וניהול של מיכל האנרגיה שלך: "מסוכך, מר סולו"
by סטפני נוצה אדומה
בפשטות, אתה יותר מסתם ההוויה הפיזית שלך. יש לך שדה אנרגיה שמקיף ...
איילה לבנה ביער
הורוסקופ: שבוע 3 - 9 בינואר 2022
by פאם יונגאנס
כתב העת האסטרולוגי השבועי מבוסס על השפעות פלנטריות ומציע נקודות מבט ו ...
כל אחד מאיתנו יכול להיות נס למישהו אחר
כל אחד מאיתנו יכול להיות נס למישהו אחר
by ג'ויס ויסל
ניסים קורים כל הזמן. אתה בטח מכיר מישהו שקרה לו נס, או ...

הנקראים ביותר

עיניים מנבאות בריאות 4 9
מה שהעיניים שלך מגלות על הבריאות שלך
by ברברה פירשיונק, אוניברסיטת אנגליה רוסקין
מדענים מאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, פיתחו אפליקציה לסמארטפון שיכולה...
בנייה מחדש של סביבה 4 14
איך ציפורים מקומיות חוזרות ליערות העירוניים המשוחזרים של ניו זילנד
by אליזבת אליוט נואי, אוניברסיטת לינקולן ועוד
עיור, והרס בית הגידול שהוא כרוך בו, הוא איום גדול על ציפורים מקומיות...
סיפור הסבל והמוות מאחורי איסור ההפלות והלגליזציה של אירלנד
סיפור הסבל והמוות מאחורי איסור ההפלות והלגליזציה של אירלנד
by Gretchen E. Ely, אוניברסיטת טנסי
אם בית המשפט העליון של ארה"ב יבטל את רו נגד ווייד, ההחלטה משנת 1973 שאיפשרה הפלה ב...
כמה שינה אתה צריך 4 7
כמה שינה אתה באמת צריך
by ברברה ז'קלין סאהקיאן, אוניברסיטת קיימברידג', ועוד
רובנו נאבקים לחשוב טוב אחרי שנת לילה גרועה - מרגישים ערפל ולא מצליחים לבצע...
חברות נותנות אמון שמחות 4 14
מדוע אגודות אמון הן בסך הכל מאושרות יותר
by אנג'מין רדקליף, אוניברסיטת נוטרדאם
בני אדם הם חיות חברתיות. המשמעות היא, כמעט כעניין של הכרח הגיוני, שבני האדם...
היתרונות של מי לימון 4 14
האם גמילה ממי לימון או ימריץ אותך?
by Evangeline Mantzioris, אוניברסיטת דרום אוסטרליה
אם אתם מאמינים לאנקדוטות באינטרנט, שתיית מים פושרים עם שפריץ מיץ לימון היא...
כלכלה 4 14
5 דברים שכלכלנים יודעים, אבל נשמעים שגויים לרוב האנשים האחרים
by רנו פוקארט, אוניברסיטת לנקסטר
דבר מוזר במקצוע שלנו הוא שכאשר אנו הכלכלנים האקדמיים מסכימים במידה רבה עם כל אחד...
ללמוד לשים לב 4 14
האסטרטגיות והפרצות החיים הללו יכולות לעזור לכל אחד עם בעיות קשב
by רוב רוזנטל, אוניברסיטת קולורדו
בגלל הזרם הקבוע של משוב שלילי שאנשים מקבלים לגבי הפרודוקטיביות שלהם,...

עמדות חדשות - אפשרויות חדשות

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | שוק InnerSelf
זכויות יוצרים © 1985 - פרסומי 2021 InnerSelf. כל הזכויות שמורות.