Þúsundir gervigreindarfulltrúa finna nýjar vísbendingar í líffræðilegum gögnum

Hvað ef vísindamenn gætu fundið nýjar vísbendingar um Alzheimer og Parkinsonsveiki á nokkrum mínútum í stað mánaða? OpenAI, PerturbAI⁠(opnast í nýjum glugga) og Scripps Research⁠(opnast í nýjum glugga) nýttu í sameiningu þúsundir gervigreindarfulltrúa knúinna af GPT‑Rosalind⁠(opnast í nýjum glugga) til að greina og túlka fyrirliggjandi tilraunagögn úr milljónum heilafrumna úr músum⁠(opnast í nýjum glugga) á aðeins 32 mínútum. Fulltrúarnir tengdu áhrif raskana á genum við niðurstöður úr vísindaritum og afhjúpuðu óvænt líffræðileg tengsl sem geta hjálpað vísindamönnum að skilja sjúkdóma og finna rannsóknarleiðir að nýjum meðferðum. Verkefnið sýnir hvernig gervigreind getur hjálpað rannsakendum að kanna meira af því sem umfangsmiklar líffræðilegar tilraunir leiða í ljós.

Nútímatilraunir skila mun meiri gögnum en vísindamenn geta rannsakað til hlítar. Rannsakendur geta nú breytt þúsundum gena og mælt áhrif þeirra í milljónum frumna. En til að skilja hvað þessar niðurstöður þýða fyrir sjúkdóma í mönnum þarf að tengja flóknar tilraunaniðurstöður við vísindaþekkingu sem hefur safnast upp víða á áratugum. Þarna getur gervigreind hjálpað vísindamönnum að finna vænlegar vísbendingar sem annars gætu farið fram hjá þeim.

Teymið skipti greiningunni á milli þúsunda gervigreindarfulltrúa knúinna af GPT‑Rosalind. Við köllum þessa nálgun dreifða líffræðilega rökhugsun. Fulltrúarnir skoðuðu CRISPR-kort af heilanum öllum⁠(opnast í nýjum glugga), gagnasafn sem sýnir hvernig raskanir á genum hafa áhrif á mismunandi frumugerðir víðs vegar um heila músa. Hver fulltrúi rannsakaði röskun á geni, greindi viðbrögð frumna, leitaði í vísindaritum og lagði fram skýringar á niðurstöðunum. Skýrslur þeirra voru sameinaðar í kort yfir röksemdafærslur þar sem gen, áhrif á frumur, viðeigandi fræðirit og mögulegir líffræðilegir verkunarhættir eru tengd saman.

Rannsóknarteymið áætlaði að sambærileg greining og yfirferð fræðirita af hálfu manna, þar sem ein röskun væri skoðuð í einu, tæki marga mánuði eða allt að ár. Fulltrúarnir komust að sömu niðurstöðum og menn höfðu gert í greiningum sínum og fundu jafnframt fleiri vísbendingar. Mat þeirra á nýnæmi og vísindalegu gildi var einnig í samræmi við mat sérfræðinga sem vissu ekki hvaðan niðurstöðurnar komu. Þessar niðurstöður hjálpa til við að forgangsraða frekari tilraunum sem þarf til að prófa tilgátur um líffræðilegu verkunarhættina.

Sumar þessara niðurstaðna gefa nýjar vísbendingar sem gætu aukið skilning á heilasjúkdómum. Fulltrúarnir greindu óvæntan mun á áhrifum tveggja sjúkdómstengdra gena á heilafrumur, auk mögulegra tengsla milli stjórnunar kólesteróls og taugahrörnunar. Þessar niðurstöður gætu hjálpað vísindamönnum að rannsaka hvernig sjúkdómar þróast og hvar framtíðarmeðferðir gætu gripið inn í.

Rannsakendur geta hafist handa við að kanna þessar niðurstöður strax í dag. Kortið yfir röksemdafærslur er aðgengilegt⁠(opnast í nýjum glugga), svo vísindamenn geta borið saman skyld gen, rannsakað óvænt viðbrögð og fundið vænlegar vísbendingar til að fylgja eftir. Nýjar uppgötvanir verða oft þegar rannsakendur á ólíkum sviðum sameina sérþekkingu sína og tengja kunnuglegar hugmyndir á óvæntan hátt. Gervigreind getur stórfjölgað slíkum tengingum með því að tengja ný gögn við þekkingu sem er dreifð um ólíkar fræðigreinar. Tækifærið felst ekki aðeins í hraðari gagnagreiningu. Með því að sameina gervigreind, tilraunalíffræði, sérþekkingu manna og vísindarit getum við hjálpað vísindamönnum að nýta meira af gögnum sínum til að móta prófanlegar hugmyndir.

Sumar áhugaverðustu vísbendingarnar úr tilraun snúa að öðru en því sem vísindamenn ætluðu sér að rannsaka. Í gagnasafni sem nær yfir þúsundir raskana geta slíkar vísbendingar auðveldlega farið fram hjá fólki.

Fulltrúarnir greindu óvæntan mun á Tsc1 og Tsc2, tveimur genum sem vinna saman að stjórnun mTOR, sem gegnir lykilhlutverki í stjórnun frumuvaxtar, efnaskipta og öldrunar. Röskun á öðru hvoru geninu hafði svipuð áhrif í nokkrum hópum taugafrumna. En í litla heila, sem hjálpar til við að samhæfa hreyfingar, breytti röskun á Tsc2 virkni tuga gena sem taka þátt í boðskiptum taugafrumna, en röskun á Tsc1 olli litlum breytingum.

Þessi munur gæti skipt máli fyrir sjúkdóma í mönnum. Hjá fólki með hnúðahersli eru frávik í litla heila sterklega tengd stökkbreytingum í TSC2. Þótt lyf sem draga úr virkni mTOR geti meðhöndlað tiltekin heilaæxli og flog er enn erfitt að takast á við náms- og hegðunarörðugleika sem tengjast sjúkdómnum. Fulltrúarnir bentu á tiltekinn hóp taugafrumna og frumubreytingar sem vert væri að rannsaka: hvaða breytingar gætu núverandi lyf leiðrétt og hverjar gætu vísað á nýjar meðferðarleiðir? Þannig fá rannsakendur afmarkaðri spurningar til að prófa á rannsóknarstofunni.

Gæti einn fulltrúi með aðgang að öllu gagnasafninu staðið sig jafn vel og þúsundir fulltrúa sem vinna samhliða? Við prófuðum þetta með sama líkani og óbreyttum úrræðum. Þegar verkefnið stækkaði kannaði eini fulltrúinn sífellt minni hluta fræðiritanna. Við mesta vinnuálagið vísaði hann í aðeins 11 heimildir, en dreifðu fulltrúarnir í yfir 700. Sérfræðingar töldu túlkanir dreifðu fulltrúanna einnig betri.

Vísindamenn hafa takmarkaðan tíma og einbeita sér oft að skýrustu vísbendingunum í gögnunum sínum. Dreifðir fulltrúar geta hjálpað til við að kanna fjölbreyttari viðbrögð, þar á meðal fíngerð eða óvænt viðbrögð, og tengja þau við viðeigandi vísindarit. Með því að láta fulltrúana vinna samhliða er hægt að rannsaka margar raskanir í einu. Þetta hjálpar vísindamönnum að kanna meira af því sem tilraun leiðir í ljós og finna vænlegar vísbendingar sem annars gætu farið fram hjá þeim.

Niðurstaða verður verðmætari þegar hún vísar á tilraun sem vert er að gera. Fulltrúarnir fundu eina slíka vísbendingu í DCTN1, geni þar sem stökkbreytingar valda Perry-heilkenni, taugahrörnunarsjúkdómi með einkenni sem líkjast Parkinsonsveiki.

DCTN1 tekur þátt í flutningi efna innan taugafrumna. Í CRISPR-kortinu af heilanum öllum kom fram að röskun á Dctn1 jók tjáningu gena sem taka þátt í kólesterólmyndun. Fulltrúarnir tengdu þessa athugun við rannsóknir sem benda til þess að truflun á flutningi kólesteróls geti valdið því að frumur myndi meira kólesteról. Þetta vakti spurningu fyrir framhaldstilraunir: gæti röskun á DCTN1 breytt dreifingu kólesteróls innan taugafrumna og gætu þær breytingar stuðlað að taugahrörnun? Ef svo er, gæti það hjálpað til við að vernda taugafrumur að koma dreifingu kólesteróls aftur í eðlilegt horf?

Sérfræðingar töldu þessa tilgátu einnig nýstárlega, mikilvæga og þess virði að fylgja eftir. Þetta dæmi sýnir hvernig tenging óvæntrar niðurstöðu við fyrirliggjandi þekkingu getur breytt vísbendingu í prófanlega hugmynd og mögulega vísað á nýja leið til að meðhöndla sjúkdóm.

Vísindamenn eru áfram í lykilhlutverki við uppgötvanir. Með því að finna fleiri vænlegar vísbendingar getur gervigreind hjálpað rannsakendum að ákveða hvaða hugmyndum eigi að fylgja eftir, hanna tilraunir og túlka niðurstöður. Markmiðið er að breyta stærri hluta upplýsinganna úr líffræðilegum tilraunum í þekkingu sem getur með tímanum leiðbeint við þróun betri lyfja.