Тисячі ШІ-агентів шукають нові напрями досліджень у біологічних даних

А що, якби науковці могли знаходити нові ключі до розуміння хвороб Альцгеймера й Паркінсона за лічені хвилини, а не місяці? Спільними зусиллями OpenAI, PerturbAI⁠(відкривається у новому вікні) та Scripps Research⁠(відкривається у новому вікні) використали тисячі ШІ-агентів на базі GPT‑Rosalind⁠(відкривається у новому вікні), щоб лише за 32 хвилини проаналізувати й інтерпретувати наявні експериментальні дані про мільйони клітин мозку миші⁠(відкривається у новому вікні). Агенти зіставили наслідки порушення функцій генів із висновками наукових публікацій і виявили неочікувані біологічні зв’язки, які можуть допомогти науковцям зрозуміти захворювання й визначити напрями досліджень для розробки нових методів лікування. Ця робота показує, як ШІ може допомагати дослідникам повніше вивчати результати масштабних біологічних експериментів.

Сучасні експерименти генерують значно більше даних, ніж науковці здатні ретельно дослідити. Тепер дослідники можуть змінювати тисячі генів і вимірювати наслідки цих змін у мільйонах клітин. Але щоб зрозуміти значення цих результатів для захворювань людини, потрібно поєднати складні експериментальні висновки з розрізненими науковими знаннями, накопиченими за десятиліття. Саме тут ШІ може допомогти науковцям виявити перспективні напрями, які інакше могли б залишитися непоміченими.

Команда розподілила аналіз між тисячами ШІ-агентів на базі GPT‑Rosalind — цей підхід ми називаємо розподіленими біологічними міркуваннями. Агенти дослідили CRISPR-атлас усього мозку⁠(відкривається у новому вікні) — набір даних, що показує, як порушення функцій генів впливають на різні типи клітин у всьому мозку миші. Кожен агент досліджував порушення функції певного гена, аналізував клітинні реакції, шукав наукову літературу й пропонував пояснення результатів. Їхні звіти об’єднали в атлас міркувань, який пов’язує гени, клітинні ефекти, відповідні публікації та можливі біологічні механізми.

За оцінкою дослідницької команди, аналогічний аналіз і огляд літератури силами людей, з послідовним розглядом кожного генетичного втручання, зайняли б від кількох місяців до року. Агенти відтворили висновки аналізів, проведених людьми, і водночас виявили додаткові напрями для дослідження. Їхні оцінки новизни й наукової цінності також узгоджувалися із судженнями експертів-людей, які проводили сліпе оцінювання. Ці результати допомагають визначити пріоритети подальших експериментів, потрібних для перевірки запропонованих біологічних механізмів.

Деякі з цих висновків указують на нові шляхи до розуміння захворювань мозку. Агенти виявили неочікувані відмінності у впливі двох пов’язаних із захворюваннями генів на клітини мозку, а також можливий зв’язок між регуляцією холестерину й нейродегенерацією. Ці результати можуть допомогти науковцям дослідити, як розвивається захворювання та на які процеси можуть впливати майбутні методи лікування.

Дослідники можуть почати вивчати ці результати вже сьогодні. Атлас міркувань доступний⁠(відкривається у новому вікні) для науковців: вони можуть порівнювати пов’язані гени, досліджувати неочікувані реакції та визначати перспективні напрями подальшої роботи. Нові відкриття часто народжуються тоді, коли дослідники з різних галузей об’єднують свої знання й несподівано поєднують знайомі ідеї. ШІ може значно розширити пошук таких зв’язків, поєднуючи нові дані зі знаннями, розпорошеними між різними дисциплінами. Ці можливості не обмежуються прискоренням аналізу даних. Поєднуючи ШІ з експериментальною біологією, людським досвідом і науковою літературою, ми можемо допомогти науковцям перетворювати більше даних на ідеї, які можна перевірити.

Деякі з найцікавіших зачіпок в експерименті лежать поза межами того, що науковці планували дослідити. У наборі даних, що охоплює тисячі генетичних втручань, такі зачіпки легко пропустити.

Агенти виявили неочікувану відмінність між Tsc1 і Tsc2 — двома генами, які разом контролюють mTOR, ключовий регулятор росту клітин, метаболізму та старіння. Порушення функції будь-якого з цих генів мало подібні наслідки в кількох групах нейронів. Але в мозочку, який допомагає координувати рухи, порушення функції Tsc2 змінювало активність десятків генів, залучених до комунікації між нейронами, тоді як порушення функції Tsc1 спричиняло лише незначні зміни.

Ця відмінність може мати значення для захворювань людини. У людей із туберозним склерозом аномалії мозочка тісно пов’язані з мутаціями TSC2. Хоча ліки, що знижують активність mTOR, можуть лікувати певні пухлини мозку й судомні напади, пов’язані із захворюванням труднощі в навчанні та поведінці досі складно подолати. Агенти визначили конкретну групу нейронів і клітинні зміни, які варто дослідити: які зміни можуть усунути наявні ліки, а які можуть підказати нові підходи до лікування? Це дає дослідникам конкретніший перелік запитань для перевірки в лабораторії.

Чи може один агент, отримавши весь набір даних, упоратися так само добре, як тисячі агентів, що працюють паралельно? Ми перевірили це, залишивши модель і ресурси незмінними. Зі збільшенням обсягу роботи один агент охоплював дедалі менше літератури: за найбільшого навантаження він послався лише на 11 джерел, тоді як розподілені агенти — на понад 700. Експерти-люди також віддали перевагу інтерпретаціям розподілених агентів.

Час науковців обмежений, тому вони часто зосереджуються на найвиразніших сигналах у даних. Розподілені агенти можуть допомогти дослідити ширший спектр реакцій, зокрема малопомітних або неочікуваних, і пов’язати їх із відповідною науковою літературою. Паралельна робота агентів дає змогу одночасно досліджувати багато генетичних втручань. Це допомагає науковцям повніше вивчати результати експерименту й знаходити перспективні напрями, які інакше могли б залишитися непоміченими.

Науковий результат стає ціннішим, коли підказує, який експеримент варто провести. Один із таких перспективних напрямів агенти виявили, досліджуючи DCTN1 — ген, мутації якого спричиняють синдром Перрі, нейродегенеративне захворювання із симптомами, подібними до хвороби Паркінсона.

DCTN1 бере участь у транспортуванні вантажів усередині нейронів. У CRISPR-атласі всього мозку порушення функції Dctn1 підвищувало експресію генів, залучених до синтезу холестерину. Агенти пов’язали це спостереження з дослідженнями, які свідчать, що проблеми з транспортуванням холестерину можуть змушувати клітини виробляти більше холестерину. Це поставило запитання для подальших експериментів: чи може порушення функції DCTN1 змінювати розподіл холестерину всередині нейронів і чи можуть ці зміни сприяти нейродегенерації? Якщо так, чи може відновлення нормального розподілу холестерину допомогти захистити нейрони?

Експерти-люди також визнали цю гіпотезу новою, вагомою та вартою подальшого дослідження. Цей приклад показує, як поєднання неочікуваного результату з наявними знаннями може перетворити зачіпку на ідею, яку можна перевірити, а потенційно — і на новий напрям лікування захворювання.

Науковці й далі відіграють центральну роль у відкриттях. Виявляючи більше перспективних напрямів, ШІ може допомагати дослідникам обирати ідеї для подальшої роботи, планувати експерименти й інтерпретувати результати. Мета — перетворювати більше інформації з біологічних експериментів на знання, які з часом допоможуть спрямовувати розробку ефективніших ліків.