ماذا لو تمكن العلماء من الكشف عن أدلة جديدة حول ألزهايمر وباركنسون في دقائق بدلاً من أشهر؟ وبالعمل معًا، قامت OpenAI و PerturbAI(يفتح في نافذة جديدة)و Scripps Research(يفتح في نافذة جديدة) باستخدام آلاف من وكلاء الذكاء الاصطناعي المدعومين بـ GPT‑Rosalind(يفتح في نافذة جديدة) لتحليل وتفسير البيانات التجريبية الموجودة مسبقًا من ملايين خلايا دماغ الفئران(يفتح في نافذة جديدة) في 32 دقيقة فقط. ربط الوكلاء بين آثار تعطيل الجينات والنتائج الواردة في الأدبيات العلمية، مما كشف ارتباطات بيولوجية غير متوقعة يمكن أن تساعد العلماء على فهم المرض وتحديد اتجاهات بحثية لعلاجات جديدة. يُظهر هذا العمل كيف يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد الباحثين على استكشاف المزيد مما تكشفه التجارب البيولوجية الكبيرة.
تولّد التجارب الحديثة بيانات تفوق بكثير ما يستطيع العلماء التحقيق فيه بشكل شامل. أصبح بإمكان الباحثين اليوم تعديل آلاف الجينات وقياس آثارها عبر ملايين الخلايا. لكن فهم معنى هذه النتائج للأمراض البشرية يتطلب ربط النتائج التجريبية المعقدة بعقود من المعرفة العلمية المبعثرة. وهنا يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد العلماء على الكشف عن آفاق واعدة قد تضيع لولا ذلك.
“نحن نبني أطلس الخلايا ليتمكن العلماء الآخرون من تحقيق اكتشافات لم نتخيلها بعد. يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد المزيد من الباحثين على استكشاف هذه الموارد وتحويل الملاحظات غير المتوقعة إلى أسئلة جديدة للاختبار.”—سارة تيشمان، دكتوراه، أستاذة في طب الخلايا الجذعية بجامعة كامبريدج والرئيسة المشاركة المؤسِّسة لأطلس الخلايا البشري
قسّم الفريق التحليل بين آلاف من وكلاء الذكاء الاصطناعي المدعومين بـ GPT‑Rosalind، وهو نهج نسميه الاستدلال البيولوجي الموزع. فحص الوكلاء أطلس دماغ الفأر الكامل بتقنية CRISPR(يفتح في نافذة جديدة)، وهو مجموعة بيانات تُظهر كيف تؤثر تعطيلات الجينات على أنواع مختلفة من الخلايا في جميع أنحاء دماغ الفأر. حقق كل وكيل في تعطيل جيني، وحلّل الاستجابات الخلوية، وبحث في الأدبيات العلمية، واقترح تفسيرات للنتائج. ثم جُمعت تقاريرهم في أطلس استدلالي يربط بين الجينات والآثار الخلوية والمنشورات ذات الصلة والآليات البيولوجية المحتملة.
قدّر فريق البحث أن تحليلًا بشريًا ومراجعة أدبيات مماثلة، أُجريت perturbation واحدة في كل مرة، ستستغرق من أشهر إلى سنة. وأعاد الوكلاء إنتاج نتائج التحليلات البشرية مع الكشف عن آفاق إضافية. كما تماشت تقييماتهم للجدة والقيمة العلمية مع أحكام خبراء بشريين معمّين. تساعد هذه النتائج في ترتيب أولويات التجارب الإضافية اللازمة لاختبار الآليات البيولوجية المقترحة.
تشير بعض هذه الرؤى إلى آفاق جديدة لفهم أمراض الدماغ. حدّد الوكلاء اختلافات غير متوقعة في كيفية تأثير جينين مرتبطين بالمرض على خلايا الدماغ بطرق مختلفة، إضافة إلى ارتباط محتمل بين تنظيم الكوليسترول والتنكس العصبي. يمكن لهذه النتائج أن تساعد العلماء في التحقق من كيفية تطور المرض والأماكن التي قد تتدخل فيها العلاجات المستقبلية.
“أحيانًا تكون الأدلة موجودة بالفعل، مبعثرة عبر مجالات مختلفة—لكننا لم نربطها بعد. الارتباط المحتمل بين الوظيفة العصبية واستقلاب الكوليسترول يُظهر كيف يمكن لهذه القطع، بمجرد جمعها معًا، أن تمنحنا طريقة جديدة للتفكير في بيولوجيا المرض.”—توماس نوفاكوفسكي، دكتوراه، أستاذ مشارك في الجراحة العصبية بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو
يمكن للباحثين البدء في استكشاف هذه النتائج اليوم. فالأطلس الاستدلالي متاح(يفتح في نافذة جديدة)مما يتيح للعلماء مقارنة الجينات ذات الصلة، والتحقيق في الاستجابات غير المتوقعة، وتحديد آفاق واعدة لمتابعتها. غالبًا ما تظهر الاكتشافات الجديدة عندما يجمع باحثون من مجالات مختلفة خبراتهم ويربطون أفكارًا مألوفة بطرق غير متوقعة. ويمكن للذكاء الاصطناعي أن يوسّع هذه الارتباطات بشكل كبير من خلال ربط البيانات الجديدة بالمعرفة المبعثرة عبر التخصصات. وتتجاوز هذه الفرصة مجرد تحليل البيانات أسرع. فمن خلال الجمع بين الذكاء الاصطناعي والبيولوجيا التجريبية والخبرة البشرية والأدبيات العلمية، يمكننا مساعدة العلماء على تحويل المزيد من بياناتهم إلى أفكار قابلة للاختبار.
تجارب كبيرة، أدلة غير متوقعة
تكمن بعض أق الدلائل المثيرة للاهتمام في أي تجربة خارج القصة التي شرع العلماء في التحقيق فيها. وفي مجموعة بيانات تمتد عبر آلاف الاضطرابات، قد يكون من السهل تفويت هذه الدلائل.
حدد الوكلاءُ فرقًا غير متوقع بين Tsc1 وTsc2، وهما جينان يعملان معًا للتحكم في mTOR، وهو منظِّم رئيسي لنمو الخلايا والأيض والشيخوخة. كان لإحداث خلل في أيٍّ من الجينين تأثيرات متشابهة في عدة مجموعات من الخلايا العصبية. لكن في المخيخ، الذي يساعد على تنسيق الحركة، غيّر خلل Tsc2 نشاط عشرات الجينات المشاركة في الاتصال العصبي، في حين أنخل خلل Tsc1 تغييرًا طفيفًا.
قد يكون هذا الاختلاف ذا صلة بأمراض البشر. ففي الأشخاص المصابين بالتصلب الحدبي، ترتبط التشوهات في المخيخ بقوة بطفرات جين TSC2. وبينما يمكن للأدوية التي تخفض نشاط mTOR علاج بعض أورام الدماغ ونوبات الصرع، تظل صعوبات التعلم والسلوك المرتبطة بالمرض تحدياً يصعب مواجهته. وقد حددت الوكلاء مجموعة محددة من الخلايا العصبية والتغيرات الخلوية تستحق البحث: أي التغيرات قد تصححها الأدوية القائمة، وأيها قد يشير إلى أساليب علاجية جديدة؟ يمنح هذا الباحثين مجموعة أكثر تحديداً من الأسئلة لاختبارها في المختبر.
تقسيم العمل، وتعميق الاستدلال
هل يمكن لوكيل واحد يتلقى مجموعة البيانات الكاملة أن يحقق أداءً بنفس جودة آلاف الوكلاء العاملين بالتوازي؟ اختبرنا هذا مع إبقاء النموذج والموارد ثابتة. ومع نمو عبء العمل، بحث الوكيل الواحد في قدر أقل من الأدبيات، مستشهداً بـ 11 مرجعاً فقط عند أكبر عبء عمل، بينما استشهد الوكلاء الموزعون بأكثر من 700 مرجع. كما فضّل الخبراء البشريون تفسيرات الوكلاء الموزعين.
يمتلك العلماء وقتاً محدوداً وغالباً ما يركزون على أقوى الإشارات في بياناتهم. ويمكن للوكلاء الموزعين أن يساعدوا في فحص نطاق أوسع من الاستجابات، بما فيها الاستجابات الدقيقة أو غير المتوقعة، وربطها بالأدبيات العلمية ذات الصلة. ويتيح تشغيل الوكلاء بالتوازي التحقيق في العديد من الاضطرابات في وقت واحد. ويساعد هذا العلماء على استكشاف المزيد مما يحتويه التجربة وتحديد البؤر الواعدة التي قد تُغفل لولا ذلك.
عند أكبر عبء عمل، استشهد الوكلاء الموزعون بأكثر من 700 مرجع، مقارنة بـ 11 مرجعاً للوكيل الواحد.
إيجاد التجربة التالية الجديرة بالتنفيذ
تصبح النتيجة أكثر قيمة عندما تشير إلى تجربة جديرة بالتنفيذ. وقد عثر الوكلاء على واحدة من هذه البؤر في DCTN1، وهو جين تسبب طفراته متلازمة بيري، وهو مرض تنكسي عصبي بأعراض شبيهة بأعراض مرض باركنسون.
يشارك DCTN1 في نقل الحمولات داخل الخلايا العصبية. وفي أطلس CRISPR للدماغ الكامل، أدى تعطيل Dctn1 إلى زيادة التعبير عن الجينات المشاركة في تصنيع الكوليسترول. وربط الوكلاء هذه الملاحظة بأبحاث تشير إلى أن مشكلات في نقل الكوليسترول قد تدفع الخلايا إلى تصنيع مزيد من الكوليسترول. وطرح هذا سؤالاً للتجارب اللاحقة: هل يمكن أن يغيّر تعطيل DCTN1 طريقة توزع الكوليسترول داخل الخلايا العصبية، وهل يمكن أن تسهم تلك التغيرات في التنكس العصبي؟ وإذا كان الأمر كذلك، فهل يمكن أن تساعد إعادة التوزيع الطبيعي للكوليسترول في حماية الخلايا العصبية؟
اعتبر الخبراء البشريون هذه الفرضية أيضاً جديدة ومؤثرة وجديرة بالمتابعة. ويوضح هذا المثال كيف يمكن لربط نتيجة غير متوقعة بالمعرفة القائمة أن يحوّل دليلاً إلى فكرة قابلة للاختبار، وربما إلى اتجاه جديد لعلاج المرض.
في المقارنات المعماة، فضّل الخبراء البشريون تقارير الوكلاء الموزعين على تقارير الوكيل الواحد بنسبة 75% من الوقت.
يبقى العلماء في مركز الاكتشاف. فمن خلال الكشف عن مزيد من البؤر الواعدة، يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد الباحثين في تحديد الأفكار التي ينبغي متابعتها، وتصميم التجارب، وتفسير النتائج. والهدف هو تحويل المزيد من المعلومات الواردة في التجارب البيولوجية إلى معرفة يمكن، مع مرور الوقت، أن تساعد في توجيه تطوير أدوية أفضل.