人工智能如何抗擊艾滋???
艾滋病已造成超過2500萬人死亡。然而,過去15年來,全球在應(yīng)對艾滋病方面取得了巨大成就,截至2015年6月,1580萬人得到抗逆轉(zhuǎn)錄治療。
隨著計算機科學(xué)和人工智能的發(fā)展,許多科學(xué)家都在探尋幫助艾滋病患者和預(yù)防艾滋病的新方法。那么,人工智能在抗擊艾滋病方面有什么應(yīng)用呢?今天我們就向大家介紹幾個研究。
1.人工智能幫助HIV診斷
HIV的早期診斷是一項非常重要的工作,能極大降低發(fā)病率和死亡率。診斷HIV的方法有很多,但都是由病人向醫(yī)生描述癥狀開始——病人來到診所,向醫(yī)生描述自己的癥狀。接著,醫(yī)生向病人或其他關(guān)系緊密的人詢問信息,了解其他癥狀。根據(jù)癥狀,醫(yī)生會縮小患病幾率的范圍,并列出一系列有可能引發(fā)這些癥狀的原因。這個過程通常比較復(fù)雜和主觀,嚴(yán)重依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗。為了解決這個問題,美國三角洲州立大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)系的Akazue Maureen等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推論系統(tǒng)相結(jié)合,組成一個神經(jīng)模糊系統(tǒng)(neuro-fuzzy system),生成了一個通過癥狀來判斷病人HIV感染風(fēng)險的模型。這個系統(tǒng)能夠自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng),處理醫(yī)學(xué)診斷中不確定和不精確的數(shù)據(jù),克服單個醫(yī)生分析癥狀的局限性。
但是,通過癥狀來診斷HIV只是其中一個方面,最精確的方法是病毒載量檢測。病毒載量就是檢查血液中的HIV數(shù)量。但是,病毒載量檢測需要特殊的設(shè)備,成本也很高,因此在一些不發(fā)達的國家或地區(qū)很難進行。于是,還有另一種方法是檢測血液中CD4細(xì)胞的數(shù)量。CD4細(xì)胞是細(xì)胞免疫系統(tǒng)中的戰(zhàn)斗細(xì)胞。當(dāng)HIV削弱免疫系統(tǒng)時,CD4細(xì)胞的數(shù)量就會下降。但是CD4細(xì)胞的數(shù)量每時每刻都可能變化,其他的病毒感染、吸煙和精神壓力也會影響它的數(shù)量。于是,今年6月,有科學(xué)家在《醫(yī)學(xué)成像和衛(wèi)生信息學(xué)雜志》上發(fā)表論文,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,通過CD4細(xì)胞的數(shù)量來評估HIV-1病毒載量在抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物作用下的變化,效果十分可觀。
2.人工智能幫助制定艾滋病療法
艾滋病患者通常需要采用雞尾酒療法,也就是同時服用多種藥物,主要是逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑和蛋白酶抑制劑中的2~4種組合在一起,學(xué)名叫「高效抗逆轉(zhuǎn)錄病毒治療方法」。這種方法能較大限度地抑制病毒的復(fù)制,并能修復(fù)部分免疫功能。但是,每種藥物的性質(zhì)不同,使用的規(guī)則也不同,為了避免產(chǎn)生抗藥性,該如何制定最有效的藥物方案呢?
根據(jù)《科學(xué)家》雜志報道,早在十幾年前,美國就有一家公司開發(fā)了一個名為HIV Therapy Edge的軟件,將生物信息學(xué)與人工智能相結(jié)合,能迅速為病人提供藥物組合方案,還能在基因序列中搜尋抗藥的突變。匹茲堡大學(xué)的John Mellor說,在以前,這個過程通常需要花上醫(yī)生半小時的時間,還必須坐在一間安靜的屋子里,逐個檢查病人的用藥史、病毒抗藥特征、用藥劑量等等信息。
隨著人工智能的發(fā)展,越來越多的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。例如,南非夸祖魯納塔爾大學(xué)和美國弗羅里達大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究者就將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)相結(jié)合,開發(fā)出一種能預(yù)測最大推薦用藥劑量的方法。他們從FDA數(shù)據(jù)庫中獲取了每種藥物的分子量、水溶解性、親油性、生物轉(zhuǎn)化半衰期、氧化半衰期、生物降解概率等詳細(xì)數(shù)據(jù),并用訓(xùn)練集構(gòu)建了一個多元線性回歸和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果,他們的模型顯示出抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物的水溶性與最大劑量中度相關(guān),或許有助于更加安全有效的HIV療法。
而在抗藥性方面,幾年前,英國艾滋病毒抗性反應(yīng)數(shù)據(jù)庫的科學(xué)家用1154個臨床數(shù)據(jù)(基因型、基線病毒載量等)訓(xùn)練了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),預(yù)測的病毒反應(yīng)與實際反應(yīng)高度相關(guān)(r2 = 0.53; P < 0.00001),但是對陌生診所的數(shù)據(jù)的預(yù)測度并不高,還需要進一步研究。
3.人工智能幫助預(yù)防艾滋病
在艾滋病的數(shù)據(jù)中,有一些數(shù)據(jù)令人痛心,那就是越來越多的年輕人,尤其是學(xué)生感染HIV。這是全世界都面臨的一個問題,尤其是那些無家可歸的年輕人。據(jù)調(diào)查,美國每年有2百萬年輕人無家可歸,其中11%為HIV陽性(是普通人群的10倍)。
如何分析和避免HIV在無家可歸的年輕人中的傳播?許多機構(gòu)從無家可歸者中選擇了一些人進行教育和培訓(xùn),幫助他們理解如何預(yù)防HIV,希望他們將這些信息傳播口口相傳。但是,這些機構(gòu)在選擇培訓(xùn)對象時并沒有考慮社交網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致傳播效率十分低下。為了解決這個問題,美國南加州大學(xué)社工學(xué)院的Eric Rice等人開發(fā)出一個名為PSINET(POMDP based Social Interventions in Networks for Enhanced HIV Testing)的算法,基于POMDP(部分可觀察馬可夫決策過程,Partially Observable Markov Decision Process),分析無家可歸者之間的朋友關(guān)系,從而繪出他們之間的社會聯(lián)系,并預(yù)測哪些人最具有影響力,從而幫助教育機構(gòu)挑選最有影響力的人參加培訓(xùn),向他們宣傳預(yù)防HIV的知識。這個成果今年早些時候發(fā)表在德克薩斯舉行的人工智能發(fā)展協(xié)會會議上,目前正在與洛杉磯一個名為My Friend’s Place的機構(gòu)合作。模擬測試顯示,這種方法的有效性比過去的方法提高了60%。
今年艾滋病日的主題是「向零艾邁進」(Getting to Zero),副標(biāo)題為”合力抗艾,共擔(dān)責(zé)任,共享未來“??箵鬑IV的戰(zhàn)役不僅是醫(yī)療機構(gòu)和NGO的任務(wù),更是全世界的共同責(zé)任。如今,生物科學(xué)、計算機科學(xué)、心理學(xué)等各個學(xué)科已經(jīng)聯(lián)合起來抗擊艾滋病,在人類智慧之光的照耀下,相信這場持久戰(zhàn)即將初現(xiàn)勝利的曙光。