咖啡能提神、四肢被刺痛時(shí)會回縮、雙手能輕易抓取物品……
這些平日里司空見慣的事,，背后卻隱藏著令無數(shù)生物學(xué)家嘔心瀝血,、窮盡一生都想搞清楚的生命奧秘：咖啡因如何影響大腦？脊髓如何整合并傳導(dǎo)外界刺激信號,？抓取東西時(shí)涉及哪些腦區(qū),，它們又是如何協(xié)同“辦公”的？
如今,，這些難題或?qū)⒂瓉砀鼫?zhǔn)確的解題思路,。由我國科學(xué)家領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十余年攻關(guān)，提出時(shí)空統(tǒng)一生命分子信號分析理論,，并結(jié)合人工智能等技術(shù),，成功研發(fā)出一套開源智能計(jì)算平臺（AQuA2）。該平臺能幫助研究人員解析生命體內(nèi)分子信號的復(fù)雜時(shí)空動態(tài)特征,，從而揭示生命科學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)。
4月8日,，該研究成果發(fā)表于國際期刊《細(xì)胞》,。
拆解復(fù)雜信息，提取“基元”特征
“如果將生物學(xué)課題的真相看成是一座座金礦,，那么AQuA2就像是一枚指南針,，能為研究人員找到更快、更短的通往金礦路徑的方向,?！蔽恼峦ㄓ嵶髡摺⑶迦A大學(xué)自動化系長聘教授于國強(qiáng)在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)說,。
近年來,，熒光探針、顯微技術(shù),、動物遺傳學(xué)改造技術(shù)等多項(xiàng)生物技術(shù)發(fā)展得如火如荼,，使神經(jīng)科學(xué)、細(xì)胞生物學(xué),、病理學(xué)及發(fā)育生物學(xué)等生物學(xué)領(lǐng)域,，迎來了海量的、高精度的,、高保真的科研數(shù)據(jù),。這些數(shù)據(jù)既包含空間信息，即“在哪個部位”,，也囊括時(shí)間要素,，即“在什么時(shí)候”。
“面對海量且復(fù)雜的時(shí)空數(shù)據(jù)，如何提取并刻畫其中的時(shí)空模式,，抽絲剝繭地還原出生命活動的進(jìn)程,，正成為制約科研取得突破的新瓶頸?！庇趪鴱?qiáng)指出,，傳統(tǒng)人工分析效率低下，并受已有知識局限,，容易漏掉突破性科學(xué)發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)有自動分析技術(shù)與方法或因假設(shè)過于嚴(yán)苛而導(dǎo)致結(jié)果失真，或因計(jì)算效率不足難以應(yīng)對空間時(shí)間大數(shù)據(jù),，破解這些難題急需新的理論與手段,。這正是于國強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)AQuA2的初衷。
AQuA2的核心工作模式是“拆解復(fù)雜事件”,，即利用機(jī)器學(xué)習(xí)理論和數(shù)字優(yōu)化技術(shù)把復(fù)雜海量的跨時(shí)空分子活動數(shù)據(jù),，分解成一個個簡單的基礎(chǔ)事件，并細(xì)心提煉出每個“基元”的特征,，后期再通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析工具,，評估不同實(shí)驗(yàn)條件下這些“基元”是否發(fā)生變化，從而為科學(xué)家提供“靠譜”的研究方向,。
“假如我們面前是一片汪洋大海,，海面上有一些島嶼。AQuA2可以將這些島從無垠的海面上剝離出來,，這就是拆解,；進(jìn)而再將小島的信息提取出來，如面積,、高度,、平整度、沿岸海浪大小等,，這些就是‘基元’特征,；還可以評估在不同天氣下，這些小島的特征如何變化,?！庇趪鴱?qiáng)打了個形象的比方，“有了這些信息,，人們就可以進(jìn)一步充分利用這些島嶼,，譬如漁民可以尋找合適的避風(fēng)港?！?/p>
簡言之,，作為一個稱手的工具,，科學(xué)家將大量繁雜的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)“投喂”給AQuA2，AQuA2用自己的一套計(jì)算和統(tǒng)計(jì)模式“消化吸收”,，最終為科學(xué)家提供更接近真相的研究思路,。
創(chuàng)新三大方向，“指向”更快更準(zhǔn)
后續(xù),，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),，以驗(yàn)證AQuA2的實(shí)用價(jià)值。
用鑷子碰觸小鼠的爪子,、讓小鼠在轉(zhuǎn)輪上奔跑,，在感覺和運(yùn)動這兩種刺激模式下，小鼠脊髓內(nèi)的鈣信號傳導(dǎo)模式是否一樣,，以往科學(xué)家們很難搞清楚,。AQuA2則發(fā)現(xiàn)，在這兩種刺激下,，小鼠脊髓的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi),，鈣信號參與了不同的神經(jīng)回路。
咖啡因?qū)Π唏R魚有何影響,？該團(tuán)隊(duì)設(shè)置對照組,，通過AQuA2分析發(fā)現(xiàn)，不攝入咖啡因的正常情況下,，斑馬魚體內(nèi)僅顯示出神經(jīng)元細(xì)胞信號，這可能是魚游泳時(shí)的常規(guī)傳導(dǎo)信號,；而攝入了咖啡因的斑馬魚體內(nèi)則出現(xiàn)了星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號,，并伴隨著更高強(qiáng)度的神經(jīng)元細(xì)胞信號。
“以上兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，星形膠質(zhì)細(xì)胞對于調(diào)節(jié)小鼠脊髓神經(jīng)回路活動具有重要意義,，咖啡因令斑馬魚大腦動力學(xué)發(fā)生了顯著變化。這就為生物學(xué)家指出了較為明確的研究方向,?！庇趪鴱?qiáng)說。
是什么讓AQuA2的“指針”如此敏銳,？
“我們在三個方向上取得了突破,。”于國強(qiáng)說,。
一是顛覆了傳統(tǒng)的時(shí)間和空間數(shù)據(jù)“割裂”分析模式,，建設(shè)了時(shí)空統(tǒng)一的理論框架。以小鼠在轉(zhuǎn)輪上運(yùn)動為例,，傳統(tǒng)的分析模式僅能“看”到小鼠脊髓內(nèi)的鈣信號被激活,，而AQuA2則“看”到鈣信號首先從脊髓靠近背部的一側(cè)出現(xiàn)，繼而傳導(dǎo)至靠近腹部的另一側(cè)。
二是引入了共識功能單元,。以手抓取東西為例,，完成這一動作時(shí)，大腦的視覺功能區(qū)和運(yùn)動功能區(qū)會協(xié)同作用,，且相關(guān)生物分子信號多次出現(xiàn),，這二者就是共識功能單元。給斑馬魚“喂”咖啡因時(shí),，AQuA2同時(shí)檢測到分別與神經(jīng)元細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)的共識功能單元,，表明二者在咖啡因的作用下“同頻共振”。據(jù)此,，生物學(xué)家可進(jìn)一步有的放矢地研究二者的協(xié)同機(jī)制,。
三是借助了人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段。譬如,，研究人員利用序統(tǒng)計(jì)理論刻畫閾值操作帶來的統(tǒng)計(jì)偏差,，從而提高低信噪比狀況下的魯棒性，讓結(jié)果更準(zhǔn)確,。研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了雙向推送線性組件操作算法（BILCO）等先進(jìn)方法,，使得AQuA2能夠在不犧牲精度的情況下顯著提高檢測效率——與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法相比，它的運(yùn)行速度提高約2倍,，計(jì)算機(jī)內(nèi)存使用效率提高約10倍,。
“以上理論和技術(shù)的加持，讓AQuA2又快又準(zhǔn),?！庇趪鴱?qiáng)表示，雖然AQuA2已經(jīng)能夠有效解析鈣,、多巴胺,、三磷酸腺苷等若干個生物信號，但隨著生物技術(shù)的發(fā)展,，更多的生物信號會涌現(xiàn),，譬如氧氣和電壓信號?！拔覀兿Ｍc全球的科學(xué)家們合作,，為更多元的生物信號研究、最大化地發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值而不懈努力,。
編輯：李華山
