ماذا لو تمكن العلماء من اكتشاف أدلة جديدة حول الزهايمر وباركنسون في دقائق بدلاً من أشهر؟ بالعمل معاً، OpenAI و PerturbAI(يُفتح في نافذة جديدة)و Scripps Research(يُفتح في نافذة جديدة) استخدمت آلاف وكلاء الذكاء الاصطناعي المدعومين بـ GPT‑Rosalind(يُفتح في نافذة جديدة) لتحليل وتفسير البيانات التجريبية الموجودة من ملايين خلايا دماغ الفئران(يُفتح في نافذة جديدة) في 32 دقيقة فقط. ربط الوكلاء بين آثار الاضطرابات الجينية والنتائج الواردة في الأدبيات العلمية، وكشفوا روابط بيولوجية غير متوقعة يمكن أن تساعد العلماء في فهم المرض وتحديد توجهات بحثية لعلاجات جديدة. يوضح هذا العمل كيف يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد الباحثين في استكشاف المزيد مما تكشفه التجارب البيولوجية الكبيرة.
تُولّد التجارب الحديثة بيانات تفوق بكثير ما يستطيع العلماء التحقيق فيه بعمق. يمكن للباحثين اليوم تعديل آلاف الجينات وقياس آثارها عبر ملايين الخلايا. لكن فهم ما تعنيه هذه النتائج للأمراض البشرية يتطلب ربط النتائج التجريبية المعقدة بعقود من المعرفة العلمية المبعثرة. هنا يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد العلماء على اكتشاف مساقات واعدة قد تُفقد لولا ذلك.
“نبني أطلس الخلايا لكي يكتشف علماء آخرون أشياء لم نتخيلها بعد. يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد المزيد من الباحثين على استكشاف هذه الموارد وتحويل الملاحظات غير المتوقعة إلى أسئلة جديدة لاختبارها.”—سارة تايخمان، دكتوراه، أستاذة في طب الخلايا الجذعية بجامعة كامبريدج والرئيسة المشاركة المؤسِّسة لأطلس الخلية البشري
قسّم الفريق التحليل بين آلاف وكلاء الذكاء الاصطناعي المدعومين بـ GPT‑Rosalind، وهو نهج نسميه الاستدلال البيولوجي الموزع. فحص الوكلاء أطلس الدماغ الكامل لـ CRISPR(يُفتح في نافذة جديدة)، وهي مجموعة بيانات توضح كيف تؤثر الاضطرابات الجينية على أنواع مختلفة من الخلايا عبر دماغ الفأر. حقق كل وكيل في اضطراب جيني، وحلّل الاستجابات الخلوية، وبحث في الأدبيات العلمية، واقترح تفسيرات للنتائج. ودُمجت تقاريرهم في أطلس استدلالي يربط الجينات بالآثار الخلوية والمنشورات ذات الصلة والآليات البيولوجية المحتملة.
قدّر فريق البحث أن تحليلاً بشرياً ومراجعة أدبيات مماثلة، تُجرى اضطراباً واحداً في كل مرة، ستستغرق من أشهر إلى سنة. أعاد الوكلاء إنتاج نتائج التحليلات البشرية مع اكتشاف مساقات إضافية. كما توافقت تقديراتهم للجدة والقيمة العلمية مع أحكام خبراء بشريين ممن لم يعرفوا هوية العمل. تساعد هذه النتائج على ترتيب أولويات التجارب الإضافية اللازمة لاختبار الآليات البيولوجية المقترحة.
تشير بعض هذه الرؤى إلى مساقات جديدة لفهم أمراض الدماغ. حدد الوكلاء اختلافات غير متوقعة في كيفية تأثير جينين مرتبطين بالمرض على خلايا الدماغ بشكل مختلف، إضافة إلى ارتباط محتمل بين تنظيم الكوليسترول والتنكس العصبي. يمكن لهذه النتائج أن تساعد العلماء في التحقيق في كيفية تطور المرض وأين قد تتدخل العلاجات المستقبلية.
“أحياناً تكون الأدلة موجودة بالفعل، مبعثرة عبر مجالات مختلفة—لم نربطها فحسب. الارتباط المحتمل بين الوظيفة العصبية وأيض الكوليسترول يوضح كيف يمكن لهذه القطع، بمجرد جمعها معاً، أن تمنحنا طريقة جديدة للتفكير في بيولوجيا المرض.”—توماس نوفاكوفسكي، دكتوراه، أستاذ مساعد في جراحة الأعصاب بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو
يمكن للباحثين البدء في استكشاف هذه النتائج اليوم. الأطلس الاستدلالي متاح(يُفتح في نافذة جديدة)، مما يتيح للعلماء مقارنة الجينات ذات الصلة، والتحقيق في الاستجابات غير المتوقعة، وتحديد المساقات الواعدة للمتابعة. كثيراً ما تظهر الاكتشافات الجديدة عندما يجمع باحثون من مجالات مختلفة خبراتهم ويربطون أفكاراً مألوفة بطرق غير متوقعة. يمكن للذكاء الاصطناعي أن يوسّع هذه الروابط بشكل كبير من خلال ربط البيانات الجديدة بالمعرفة المبعثرة عبر التخصصات. الفرصة تتجاوز تحليل البيانات بسرعة أكبر. من 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 أدق الأدلة إثارة للاهتمام في أي تجربة خارج القصة التي شرع العلماء في التحقيق فيها. وفي مجموعة بيانات تمتد لآلاف التحوّلات، يمكن أن يكون من السهل تفويت تلك الأدلة.
حدد الوكلاء فرقًا غير متوقع بين جيني Tsc1 وTsc2، وهما جينان يعملان معًا للتحكم في mTOR، وهو منظّم رئيسي لنمو الخلايا والأيض والشيخوخة. كان لإفساد أيٍّ من الجينين تأثيرات متشابهة في عدة مجموعات من الخلايا العصبية. لكن في المخيخ، الذي يساعد على تنسيق الحركة، غيّر إفساد Tsc2 نشاط عشرات الجينات المشاركة في التواصل العصبي، في حين لم يُحدث إفساد Tsc1 سوى تغيير طفيف.
قد يكون هذا الاختلاف ذا صلة بأمراض البشر. لدى المصابين بالتصلب الحدبي، ترتبط التشوهات في المخيخ بقوة بطفرات TSC2. وبينما تستطيع الأدوية التي تقلل نشاط mTOR علاج某些 أورام دماغية ونوبات صرع معينة، تبقى صعوبات التعلم والسلوك المرتبطة بالمرض صعبة المعالجة. حددت الوكلاء مجموعة محددة من الخلايا العصبية والتغيرات الخلوية تستحق التحقيق: أي التغيرات قد تصححها الأدوية القائمة، وأيها قد يشير إلى approaches 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 جيداً بقدر آلاف الوكلاء العاملين بالتوازي؟ اختبرنا هذا مع إبقاء النموذج والموارد ثابتة. ومع نمو حجم العمل، بحث الوكيل الواحد في قدر أقل من الأدبيات، مستشهداً بـ 11 مرجعاً فقط عند أكبر حجم عمل، في حين استشهد الوكلاء الموزعون بأكثر من 700 مرجع. كما فضل الخبراء البشريون تفسيرات الوكلاء الموزعين.
يمتلك العلماء وقتاً محدوداً وكثيراً ما يركزون على أقوى الإشارات في بياناتهم. يمكن للوكلاء الموزعين المساعدة في فحص نطاق أوسع من الاستجابات، بما فيها الاستجابات الدقيقة أو غير المتوقعة، وربطها بالأدبيات العلمية ذات الصلة. ويسمح تشغيل الوكلاء بالتوازي بالتحقيق في العديد من الاضطرابات في آن واحد. يساعد هذا العلماء على استكشاف المزيد مما يحتويه التجربة وتحديد الروافد الواعدة التي قد تُفقد لولا ذلك.
عند أكبر حجم عمل، استشهد الوكلاء الموزعون بأكثر من 700 مرجع، مقارنة بـ 11 للوكيل الواحد.
إيجاد التجربة التالية التي تستحق الإجراء
تصبح النتيجة أكثر قيمة عندما تشير إلى تجربة تستحق الإجراء. وجد الوكلاء أحد هذه الروافد في DCTN1، وهو جين تسبب طفراته متلازمة بيري، وهو مرض تنكسي عصبي بأعراض شبيهة بأعراض باركنسون.
يشارك DCTN1 في نقل الحمولات داخل الخلايا العصبية. في أطلس CRISRP للمخ بأكمله، أدى تعطيل Dctn1 إلى زيادة التعبير عن الجينات المسؤولة عن إنتاج الكوليسترول. ربط الوكلاء هذه الملاحظة بأبحاث تشير إلى أن مشكلات في نقل الكوليسترول قد تدفع الخلايا إلى إنتاج المزيد من الكوليسترول. وقد أثار هذا سؤالاً لتجارب المتابعة: هل يمكن لتعطيل DCTN1 أن يغير كيفية توزع الكوليسترول داخل الخلايا العصبية، وهل يمكن لتلك التغيرات أن تسهم في التنكس العصبي؟ إذا كان الأمر كذلك، فهل يمكن لاستعادة التوزع الطبيعي للكوليسترول أن يساعد في حماية الخلايا العصبية؟
اعتبر الخبراء البشريون هذه الفرضية جديدة ومؤثرة وتستحق المتابعة أيضاً. يوضح هذا المثال كيف يمكن لربط نتيجة غير متوقعة بالمعرفة القائمة أن يحوّل دليلاً إلى فكرة قابلة للاختبار، وربما اتجاهاً جديداً لعلاج المرض.
في المقارنات المعماة، فضل الخبراء البشريون تقارير الوكلاء الموزعين على تقارير الوكيل الواحد بنسبة 75% من الوقت.
يبقى العلماء في مركز الاكتشاف. من خلال الكشف عن المزيد من الروافد الواعدة، يمكن للذكاء الاصطناعي مساعدة الباحثين في تحديد الأفكار التي تستحق المتابعة، وتصميم التجارب، وتفسير النتائج. الهدف هو تحويل المزيد من المعلومات الواردة في التجارب البيولوجية إلى معرفة قد تساعد، بمرور الوقت، في توجيه تطوير أدوية أفضل.