Hol tart a mesterséges intelligencia alkalmazása az élettudományokban?

A lehetséges felhasználási területek széles skálája jól mutatja, miként hasznosulhatnak az alapkutatási eredmények az alkalmazott kutatásban és a gyakorlati életben. A big data adatrengetegében rejlő információk kinyerése, a deep learning modelljére épülő alkalmazások és a biológiai folyamatok kontinuitásként való újraértelmezése csak néhány a mesterséges intelligencia széles körű, élettudományi felhasználási területei közül.

A bioinformatika egyik forradalmi jelentőségű területe, a mesterséges intelligenciával segített fenotipizálás lehetőséget ad az emberi szövetek egyedi sejtjeinek külső jegyek alapján történő szétválogatására, és alkalmas arra, hogy akár a legkisebb, sejtszintű eltérést is felfedezze a komplex mintákban. A mikroszkópos képek elemzésére épülő eljárás elképesztő teljesítőképességű: a folyamatosan tanuló algoritmusok akár sok milliárdnyi sejtet is osztályoznak az egyes mintákról készült több százezer vagy milliónyi felvételen.

Ekkora adatmennyiség ilyen léptékű feldolgozását még egy évtizeddel ezelőtt is csaknem lehetetlennek tartották – ma viszont már az élet és a tudományok számos területén a gyakorlati alkalmazások része. De honnan is indult, és hogyan jutott idáig a fejlődés? Horváth Péter, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Mikroszkópos Képfeldolgozó és Gépi Tanulási Csoportjának vezetője és munkacsoportja az élettudományok egyik legrangosabb folyóirata, a Cell Systems legfrissebb számában megjelent áttekintő közleményében átfogó képet ad a mesterséges intelligenciával támogatott, sejtalapú elemzés fejlődésének állomásairól, a rendelkezésre álló szoftveres megoldások erősségeiről és gyengeségeiről, valamint a tudományterület jövőbeli perspektíváiról. A közérthető nyelvezetű összefoglaló kiváló és hiánypótló rendszerező anyag.

A mesterséges intelligenciával támogatott, sejtalapú elemzés tudományterülete viszonylag fiatal: az első ilyen analíziseket a 2000-es évek első felében végezték. Bár a gyökerek az 1970-es évekig nyúlnak vissza, az intelligens, automatizált elemzést végző első szoftverek csak 2006 táján jelentek meg. Az azóta eltelt, alig több mint egy évtized ugrásszerű fejlődést hozott e területen: a világ élvonalába tartozó bioinformatikai kutatócsoportok standard módszertant és több tucat gépi tanulási algoritmust vezettek be a sejtalapú fenotípus-elemzésre. A modern képelemző szoftverek több száz- vagy akár több ezerféle jellemzőt képesek számba venni minden egyes sejtről, és arra is alkalmasak, hogy az információkat szintetizálva, kiválasszák közülük a legfontosabbakat, amelyek a lehető legpontosabban írnak le egy-egy ismert vagy új sejttípust.

A jövő egyik legfontosabb, megoldásra váró feladata a nagy adattömegek, vagyis a big data kezelése – az óriási adathalmazok tárolása, továbbítása és feldolgozása lépést kell hogy tartson az adatok generálásának ütemével ahhoz, hogy az egyre gyűlő adatrengeteg valóban értékes információk forrása lehessen. „A nagy áteresztőképességű mikroszkópia másodpercenként 5-10 képet készít a mintáról, így egy labor egyetlen mikroszkópja naponta több mint 10 terabájtnyi adatot állít elő. A képi adatok feldolgozása még a mai legmodernebb szoftverekkel is több nagyságrenddel lassúbb: az egyes képek kiértékelése percekig is eltart, így a legnagyobb kihívást ma a nagy áteresztőképességű számítógépes feldolgozás jelenti” – jegyzik meg cikkükben a kutatók.

A deep learning (mélytanulás) a gépi tanulás modellje, amely a mesterséges neuronhálókra épül, és az agyi idegsejtek közötti kapcsolatok mintájára tár fel mély összefüggéseket óriási adathalmazokban. Alapját az agyi neuronhálózat analógiájára megalkotott mesterséges neurális hálózatok képezik. A neurális háló rengeteg kicsiny alegységből áll, amelyek – akárcsak az idegsejtek – sokrétű kapcsolódási rendszerben állnak összeköttetésben egymással. Az így kialakított háló mesterségesintelligencia-algoritmusok révén tanulásra képes: az egyes egységek az összeköttetéseiken keresztül beérkező bemeneti jelek sokaságának feldolgozásával – egy döntési algoritmuson keresztül – kimeneteli jelet generálnak, ami intelligens feladat-végrehajtásban jut érvényre.

Az első digitális neuronhálók az 1970-es évek végén jelentek meg, sokáig azonban – a megfelelő informatikai háttér hiányában – még csak egyszerű architektúrában működtek, és olyan egyszerűbb feladatok végrehajtására voltak képesek, mint a karakter- vagy beszédfelismerés. Az elmúlt 5-10 évben lezajlott hardverinformatikai forradalomnak köszönhetően ma már akár százrétegű, mély neurális hálózatok kialakítása és tanítása is megoldott. A mély neurális hálózatokban összegyűjtött adatokból a deep learningként ismert algoritmus mély összefüggéseket tár fel, és ezek alapján objektív, logikus döntéseket hoz. Ezzel az emberi gondolkodás komplexitásával egyező, sőt azt is túlszárnyaló problémamegoldásra nyílik lehetőség egyes területeken, ami olyan funkcionális megoldásokban realizálódik, mint a sakkvilágbajnokot alig néhány óra tanulás után verhetetlenül legyőző számítógép, az önvezető autó vagy a legbonyolultabb városirányítási rendszerek. Az orvosi informatikában a komplex szövetek sejtszintű elemzése a deep learning és a neurális hálózatok egyik legfontosabb felhasználási területe, amely a betegségek kórélettani hátterének jobb megismerésével áttörést hozhat a rákkutatásban, az agykutatásban, de a gyógyszerkutatásban is.

A teljes cikk az MTA honlapján olvasható: http://mta.hu/tudomany_hirei/hol-tart-a-mesterseges-intelligencia-alkalmazasa-az-elettudomanyokban-108839