來(lái)源標(biāo)題:“3+1”方案把細(xì)胞實(shí)驗(yàn)搬到AI虛擬世界
試想你在體驗(yàn)一款模擬細(xì)胞培養(yǎng)的游戲,可以借助游戲中的“百科全書(shū)”“3D建模器”“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”3個(gè)核心模塊和一間“自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室”培養(yǎng)和優(yōu)化各種虛擬細(xì)胞。這樣的設(shè)計(jì)架構(gòu),能否應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的科研工作?
3月25日,西湖大學(xué)醫(yī)學(xué)院特聘研究員郭天南團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《細(xì)胞研究》發(fā)表評(píng)述文章,系統(tǒng)闡述了人工智能(AI)虛擬細(xì)胞的構(gòu)建方法與發(fā)展方向。該團(tuán)隊(duì)提出“3+1”方案,即整合先驗(yàn)知識(shí)、靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)三大核心數(shù)據(jù)與閉環(huán)主動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng),構(gòu)建了精確且可擴(kuò)展的AI虛擬細(xì)胞模型,將加速生物醫(yī)學(xué)研究與藥物開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
傳統(tǒng)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)通常需要消耗大量資源,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果易受細(xì)胞變異影響。因此,科學(xué)家提出虛擬細(xì)胞的概念,以減少實(shí)驗(yàn)成本并提高研究的準(zhǔn)確性和效率。早期的虛擬細(xì)胞模型依賴低通量的生化實(shí)驗(yàn),并使用微分方程或隨機(jī)模擬方法對(duì)特定的細(xì)胞過(guò)程建模。這一模型數(shù)據(jù)整合和動(dòng)態(tài)模擬能力有限,難以全面描述細(xì)胞的復(fù)雜性。隨著高通量生物技術(shù)和人工智能的發(fā)展,AI虛擬細(xì)胞成為一種新的研究方向。
郭天南團(tuán)隊(duì)提出,AI虛擬細(xì)胞的構(gòu)建,依賴三大數(shù)據(jù)支柱:先驗(yàn)知識(shí)包括生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)、分子表達(dá)及成像數(shù)據(jù),為模型提供基礎(chǔ)框架;靜態(tài)結(jié)構(gòu)基于冷凍電鏡、空間組學(xué)等技術(shù)構(gòu)建,能提供細(xì)胞的三維空間結(jié)構(gòu)信息;動(dòng)態(tài)狀態(tài)涵蓋生理過(guò)程及外部微擾帶來(lái)的影響,科研人員可依托高通量組學(xué)數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析大量分子在不同細(xì)胞狀態(tài)下的變化,確保AI虛擬細(xì)胞的“活性”。
“三大數(shù)據(jù)支柱分別像模擬細(xì)胞游戲中的‘百科全書(shū)’‘3D建模’和‘實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)’,再結(jié)合AI算法,可為虛擬細(xì)胞的構(gòu)建提供必要基礎(chǔ)。”郭天南介紹,傳統(tǒng)構(gòu)建方法依賴被動(dòng)數(shù)據(jù)積累,團(tuán)隊(duì)提出的閉環(huán)主動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng),能自動(dòng)識(shí)別知識(shí)缺口、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)化執(zhí)行擾動(dòng),并實(shí)時(shí)優(yōu)化模型,其核心優(yōu)勢(shì)在于高效處理細(xì)胞對(duì)不同擾動(dòng)的復(fù)雜響應(yīng)。
為確保AI虛擬細(xì)胞概念的可行性,團(tuán)隊(duì)選擇以酵母作為初始研究對(duì)象。“因?yàn)榻湍附Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又包含真核細(xì)胞結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)相對(duì)豐富,并已在生物學(xué)和藥物篩選領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。”郭天南說(shuō),降低門(mén)檻,從簡(jiǎn)單模型入手,有助于優(yōu)化AI虛擬細(xì)胞的數(shù)據(jù)需求、建模策略和評(píng)估框架,為未來(lái)將研究擴(kuò)展到更復(fù)雜細(xì)胞系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,AI虛擬細(xì)胞依賴AI驅(qū)動(dòng)的多模態(tài)數(shù)據(jù)整合,并結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)解析復(fù)雜數(shù)據(jù),其有利于推動(dòng)系統(tǒng)生物學(xué)、個(gè)性化醫(yī)學(xué)和藥物研發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展,為細(xì)胞行為研究提供新視角。
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